DD270367A1 - Vorrichtung zur ermittlung der bewegungsbahn von industrierobotern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsbahn von Industrierobotern vorwiegend geeignet fuer direkt teach-in programmierte Roboter in allen Bereichen der Industrie. Es handelt sich um eine ambulante Vorrichtung, so dass die Pruefung am Einsatzort des Pruefobjektes geschehen kann. Angewandt wird das Verfahren der terrestischen Stereophotogrammetrie in der Disposition des sogenannten Normalfalles. Die Vorrichtung besteht aus Impulslichtquellen, die vorzugsweise in den Eckpunkten eines Tetraeders angeordnet sind, einer Ablaufsteuerung, einer Zyklussteuerung, einer Zeitbasis, zwei Universalmesskammern mit einem Stereokomperator oder anderer geeigneter Bilderfassungssysteme und einem Kleinrechner zur messtechnischen Auswertung. Mittels definierter Markierungen durch die Impulslichtquellen wird der Anfangsbereich der Bewegungsbahn sowohl bei Programmaufnahme als auch Programmwiederholung bzw. Programmwiederholungen und eine auswertbare markierte Lichtspur, bestehend aus homologen Punkten, im Verlauf der Bewegung sowohl bei Programmaufnahme als auch Wiederholung bzw. Wiederholungen aufgezeichnet.

Description

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"Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsbahn von Industrierobotern"

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Vorrichtung dient der Ermittlung der Bewegungsbahn von Industrierobotern. Besonders geeignet ist sie für direkt teach-in-programmierte Industrieroboter. Dabei können die zwischen der Lernphase und den anschließenden Wiederholungen bzv/. die zwischen den Wiederholungen auftretenden Abweichungen der Bewegungsbahn des Roboterarmes kontaktlos ermittelt werden.

Daraus ergeben sich verschiedene Möglichkeiten der Korrektur zur Erreichung des optimalen Bewegungsablaufes des Industrieroboters.

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Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Vorrichtung dient vorrangig der Prüfung direkter teach-in-programmgesteuerter Industrieroboter. Es besteht die Möglichkeit den auftretenden Fehler zwischen der Lern- und Y/iederholungsphase und zwischen den Wiederholungsphasen und damit das konkrete Leistungsvermögen und Arbeitsverhalten solcher Industrieroboter zu ermitteln.

In /1/ wird ein Versuchsstand beschrieben, auf welchem Industrieroboter vermessen werden können, um die Einsatzmögliohkeiten dieser Geräte zu spezifizieren. Der aufgeführte Prüfstand besteht in seinem mechanischen Teil aus einer Meßplatte und einem dreidimensionalen Meßgerät. Diese exakte Zuordnung des Industrieroboters zu den Meßgeräten ist notwendig, um diese im gesamten Arbeitsraum und im erforderlichen Genauigkeitsbereich vermessen zu können. Zur Ermittlung der Genauigkeit der Geräte dient die Messung der Positionsstreuung. Dabei wird ein programmierter Punkt mit einem Meßkopf angefahren und diese Position als Sollposition angenommen. Danach wird diese Position zehnmal angefahren und die Abweichungen von dieser Sollposition werden erfaßt und weiterverarbeitet. Das Messen der Ist-Bahn erfolgt mit einem berührungslosen Meßkopf in zweidimensionaler Ausführung. Die Sensoren werden bei der Programmierung senkrecht zur Oberfläche des Lineals gestellt, wodurch Kippungen, die infolge Bewegungen der Nebenachsen auftreten können, als Abweichungen in die eingezeichnete Bahn eingehen.

Diese in funktioneller Hinsicht optimal ausgerüstete und arbeitende Prüfanlage hat den weiteren Nachteil, daß diese stationär ist und in dieser Art auch bleiben muß. Damit ist es nötig, jeden zu messenden Industrieroboter zum stationären Prüfstand zu bringen, zu montieren, zu prüfen, zu demontieren, zu transportieren und am Bestimmungsort wieder aufzubauen.

In /2/ wird ein Verfahren zum Steuern eines Industrieroboters entlang einer an einem Y/erkstück verkörperten Linie zur Durchführung eines Arbeitsprogrammes daran beschrieben. Mittels eines Meßfühlers wird vor der Bearbeitung eines Werkstückes vor dem Arbeitsablauf ein Meßablauf durchgeführt und die Lage der Linie an einzelnen Punkten gemessen. Mit den gewonnenen Meßdaten werden die Bahndaten einer Steuerlinie zum Nachfahren der am Werkstück verkörperten Linie errechnet und danach das Arbeitsprogramm werkstüokindividuell durchgeführt. Diases Verfahren dient nur der optimalen Anpassung zwischen dem Industrieroboter und dem Werkstück, welches sich in einem vorgegebenen Toleranzfeld befindet und bei dem vor der Arbeitsverrichtung ein Meßprogramm abgefahren wird. Bs handelt sich um eine werkstückindividuelle Steuerung für eine linienförmige Arbeitsverrichtung (Schweißtechnik),

In /3/ ist eine photogrammetrysehe Prüftechnologie für Industrieroboter beschrieben, die ambulant anwendbar ist.

Die wesentlichen Vorteile dieses Verfahrens sind:

- die berührungsfreie Messung (keine mechanische Beeinflussung des Industrieroboters, kein Aufenthalt im Arbeitsbereich)

- kein Eingriff in die Meßsysteme des Industrieroboters und damit eine Messung unabhängig von diesen Systemen

- Unabhängigkeit des Verfahrens vom Typ und von der Größv3 des Industrieroboters sowie von der Form des Arbeitsraumes

- simultane Bestimmung der Koordinaten einer frei wählbaren Anzahl von Meßpunkten in einem objekteigenen Koordinatensystem.

Die Durchführung des Verfahrens erfolgt mittels Parallaxenphotogrammetrie mit Zeitbasis. Gleichzeitig mit dem Industrieroboter wird zur Erfassung der Bild- und Orientierungsfehler ein das Objekt umschließendes Bezugssystem mit aufgenommen, welches nicht an den Bewegungen des Objektes teilnimmt.

Zur Kennzeichnung der Meßpunkte am Greifer v/erden Lichtemitterdioden angewendet. Diese bedingen zur Erzielung kontrastreicher Bilder in den Universalmeßkameras die Schaffung eines dunklen Hintergrundes als unabdingbare Voraussetzung. Damit ist eine völlige Verdunklung des Meßraumes notwendig, um die relativ geringe Lichtausbeute der Lichtemitterdioden photographisch erfassen zu können. Hiermit ergibt sich ein wesentlicher Nachteil, da die Lernphase eines teach-in-programmierten Industrieroboters nicht erfaßt werden kann.

Bei diesem Verfahren können somit nur vorgegebene Bahnen aus einem festen Programm wiederholt werden. Es sind nur die Unterschiede in den V/iederholungen erfaßbar. Ein weiterer wesentlicher Nachteil stellt die Tatsache dar, daß dieses Verfahren völlig unabhängig, mit einem Zeitmesser gesteuert, vom zu bewertenden Roboter arbeitet. Damit ist eine völlige Übereinstimmung der Auswertungspunkte bzw. Positionen bei mehrmaliger Prüfung nicht zu erreichen.

/1/ Brodbeck, Bernd:

Industrieroboter auf dem Prüfstand / Bernd Brodbeck und Günter Schiele. / In: Technische Rundschau 72 (1980) Heft 3, S. 5 und 7

/2/ DE OS 3419025 von 1984

Verfahren zum Steuern eines Industrieroboters

/3/ Monczkowski, V.:

Photogrammetrische Prüftechnologie für Industrieroboter / V. Monezkowski und K. Regensburger. /

In: Vermessungstechnik 31 (1983) Heft 12, S. 402 bis 405

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Ausführungsbeispiel

Anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

In der Zeichnung bedeuten:

Figur 1 Eine Prinzipanordnung der bekannten Disposition des Normalfalles der terrestrischen Stereophotogrammetrie,

Figur 2 eine Steuerung des Prüfablaufes, Figur 3 eine Impulsablauf-Übersicht,

Figur 4 eine Abbildung des Bewegungsablaufes mehrerer Impulslichtquellen in definierter Position in einer der Meßkammern,

Figur 5 einen Ausschnitt aus einer Photoplatte mit den bei einer Programmierung aufgenommenen Meßpunkte~,

Figur 6 einen Ausschnitt aus einer Photoplatte mit den bei der Wiedergabe des Programmablaufes aufgenommenen Meßpunkten,

Figur 7 einen Ausschnitt aus einer,Photoplatte mit den bei der Wiedergabe des Programmablaufes aufgenommenen Meßpunkten,

Figur 8 eine Überdeckung der Meßpunkte nach Fig. 5, 6 und 7.

Der Industrieroboter 51 mit seinem in mehreren Freiheitsgraden beweglichen Arm 53 ist für die Führung eines Arbeitswerkzeuges 54 in einem Raum über der Grundrißfläche 55 vorgesehen. Zur Prüfung der statisohen und dynamischen Genauigkeit des Industrieroboters 51 wird das Arbeitswerkzeug 54 gegen eine als

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PunktlichtqueDle ausgebildete Impulslichtquelle 52 ausgetauscht, deren Emission durch ein aus der Steuerung 69 des Industrieroboters 51 ausgekoppeltes Signal codiert wird. Zur photogrammetrisohon Aufnahme der Bahnkurven werden zwei photogrammetrische Meßkammern 56, 57 oder andere geeignete Bilderfassungssysteme auf einer Basisschiene 58 so befestigt, daß die bekannte Disposition des Normalfalles der terrestrischen Photogrammetrie erfüllt ist. Die Randstrahlen 59, 60 begrenzen den für die Messung verfügbaren Überdeckungsbereich. Zur Kontrolle und evtl. zur Korrektur der Orientierung der Meßkammern 56, 57 werden zwei Festpunkte 6i, 62 so markiert, daß sie in den Meßbildern mit abgebildet werden, z. B. durch ein Lichtzeichen.

Die Raumbeleuchtung wird soweit gedämpft, daß ein ausreichender Kontrast zwischen der Bahnmarkierung und dem Hintergrund gesichert ist. Als Programmanfang wirkt eine den Anforderungen entsprechende Testbewegung im Sinne der direkten teach-in-Programmierung bzw. einer anderen Programmierung, nachdem von der Ablaufsteuerung des Meßsystems 63 infolge eines Startbefehls 64, orientiert an der Zeitbasis 65, die Steuerung 69 des PrüfObjektes und das Erfassungssystem 56 und 57 aktiviert wird. Die Zyklussteuerung 66 gibt ab dem Startzeitpunkt an die in einer räumlichen Ebene angeordneten Impulslichtquellen 52 - als Lq .1 bezeichnet im Zeitraster tp (Fig. 3) mit einer Dauer von ti Stromimpulse ab. Die in den Impulslichtquellen entstehenden Lichtpulse werden vom Erfassungssystem 56, 57 (Fig. 1) technisch erfaßt. Eine weitere Itipuls licht quelle 67 - als Lq 2 bezeichnet - (Fig. 3)> welche mit den mehreren Impulslichtquellen 52 in räumlicher Ebene starr verbunden ist, wird durch die Zyklussteuerung 66 derart mir, Strom gespeist, daß der Anfangsbereich der Bewegungsbahn des PrüfObjektes sowohl bei Programmaufnahme als auch bei

Programmwiederholung bzw. Programmwiederholungen erkennbar ist und im weiteren Verlauf der Bahn eine mit kurzen Unterbrechungen synchron zu den Lichtirnpulsquellen 52 - als Lq 1 bezeichnet - markierte Liohtspur aufgezeichnet wird. Die Ablaufsteuerung 63 ist durch einen mit ihr verbundenen Pestwertspeicher 68 in der Lage, so zu steuern, daß alle Steuerimpulse ausgehend von to gleichzeitig bei beliebigen Wiederholungen ablaufen (Fig. 3)·

Für den Fall, daß der Richtun^svektor des Werkzeuges zur Bearbeitungsfläche eine maßgebliche Bedeutung hinsichtlich der Qualität der Arbeitsausführung des Industrieroboters 51 hat, v/ird die Impulslichtquelle 52 durch eine spezielle Anordnung von vier Impulsliohtquellen 52 ersetzt. Besonders günstig hat sich dabei die Positionierung der Impulslichtquellen 52 an den Eckpunkten eines Tetraeders, dessen Höhe ir. Wirkungsrichtung des Werkzeuges liegt, hinsichtlich der Auswertung ier Werkzeugposition und -richtung erwiesen.

Als Impulslichtquellen haben sich Miniaturglühlamper.., die im Impulsbetrieb betrieben werden, bewährt. Um die Bewegungsbahn des Industrieroboters 51 hinreichend oft zu "larkieren, wurde eine Impulsperiodendauer von 250 ms angewendet. Unter der Bedingung, daß das Leistungszeitprodukt im Impulsbetrieb nicht über das Zweifache der Worrnalleistung ansteigt und die Impulsdauer kleiner als das Fünffache der Intensitätsanstiegszeit nach einem Sprung bleibt, können die Kleinetglühlampen bis zum zwanzigfachen Spannungswert ihrer Nennspannung betrieben werden. Die bei der Programmierung und die beider Wiedergabe bzw. den Wiedergaben ablaufenden Bewegungen werden nacheinander erfe.ßt.

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In den Pig. 5, 6 und 7 sind Ausschnitte aus drei Bildern gezeigt, auf denen die von den Liohtimpulsquellen 52 und 67 verursachten Bildpunkte bei der Programmierung und zweimal bei der Wiedergabe des Programmablaufes als Punkte 1 bis 42 aufgenommen sind. Um au zeigen, welche Differenzen dabei auftreten, ist in Pig. 8 eine Übbrdeckung der Meßpunkte nach den Mg. 5> 6 und 7 gezeigt. Die Meßpunkte sind durch Doppelzahlen 1,1; 2,1; 30,1 bei Pig. 5, durch 1,2; 2,2; 30,2 bei Pig. 6, durch 1,3; 2,3; 30,3 bei Pig. in der Pig. 8 also der Überdeckung kenntlich gemacht.

Die in den Auszügen gezeigte Meßlatte entspricht den Festpunkten 61, 62 in Pig. 1. Die in Pig. 8 gezeigte Überdeckung dient nur zur Veranschaulichung der Arbeit des Stereokon:paratora. Über die meßbaren Abweichungen der homologen Punkte zwischen der Programmaufnahme und der Wiederholung bzw. den Wiederholungen stellt ein Maß für die Abweichung von der programmierten Bewegung, und damit der qualitativen Eigenschaften eines Industrieroboters in der Wiederholung bzw. den Wiederholungen, dar.

Die bisher bekannten Lösungen arbeiten entweder stationär oder unabhängig vom zu bewertenden Roboter, wodurch eine völlige Übereinstimmung der Auswertungspunküe bzw. Positionen bei mehrmaliger Prüfung sioh nicht erreichen läßt. Mit dem Verwenden von Lichtemitterdioden ergibt sich ein weiterer Nachteil, da durch die geringe Liohtstärke bedingt, eine vollständige Abdunklung des Prüfraumes erforderlich ist, was zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Beurteilung von stationären Industrierobotern führt. Die dargestellte Lösung stellt eine neue Kombination mit dem Effekt dar, daß alle aufgeführten Nachteile im v/ei testen Sinne ausgeschlossen werden konnten.

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Prüfung der statischen und dynamisohen Genauigkeit von insbesondere von teaohin-programmierten Industrierobotern am Aufstellungsort durchzuführen. Dafür ist es notwendig, daß der Arbeitsraum nicht völlig abgedunkelt werden darf. Weiterhin soll die Steuerung der Prüfeinrichtung zeitsynchron zum zu prüfenden Industrieroboter erfolgen.

Damit ergeben sioh interessante ökonomische Aspekte. Ea ist damit möglich, die Fehler vi teach-in-programmierten Robotern zwischen der Lern- und der ersten Wiederholungsphase zu ermitteln und gegebenenfalls durch eine Korrekturprogrammierung zu eleminieren.

Auftretende Fehler bei der Bearbeitung von einfachen bis komplizierten Werkstücken können mit geringem Aufwand vermieden werden. Eine notwendige Nacharbeit ist nicht notv/endig. Da der Aufwand sehr gering ist, können insbesondere nach längerer Zeit die Parameter der entsprechenden Roboter leicht kontrolliert werden.

Ausschußproduktion infolge Abnutzungserscheinungen am Roboter kommen eingeschränkt bzw. eleminiert werden. Das Prüfregime bei nur gedämpften Licht ist leicht in den Abendstunden realisierbar.

Darlegung des Wesena der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, keine stationäre sondern eine ambulante Prüfeinrichtung, die zeitsynchron zum Industrieroboter und die bei Normallicht bzw. leicht gedämpften Lioht arbeitsfähig ist zu erstellen.

V/eiterhin soll diese Prüfeinrichtung insbesondere bei teach-in-programmierten Industrierobotern zum Einsatz kommen, um den Fehler zwischen der Lern- und der 1. Wiederholungsphas?zu bestimmen. Mit diesen Forderungen ist eine Prüfung in den weiteren Wiederholungsphasen, insbesondere nach längerer Zeit, möglich.

Erfindungsgemäß wird das bekannte Verfahren der terrestischen Stereophotogrammetrie in der Disposition des sogenannten JMormalfalles angewendet. Eingesetzt werden Impulslichtquellen. Über zwei Universalmeßkammern mittels eines Stereokomperator*oder anderer geeigneter Bilderfassungssysteme erfolgt die meßtechnische Auswertung.

Um die Position des Werkzeuges im Arbeitsraum sowie auch dessen Wirkungsrichtung zu bestimmen, werden mehrere Impulslichtquellen in definierter Position, vorzugsweise in den Eckpunkten eines Tetraeders, desson Höhe in Wirkungsrichtung des Werkzeuges liegt, angeordnet und vom Meßsystem durch die Zyklussteuerung mit Strom beschickt.

Mit dem Startbefehl am Roboter werden gleichzeitig die Ablaufsteuerung des Meßsystems und die beiden Meßkamraern bzw. das Bilderfassungssystem aktiviert.

Mit der Ansteuerung der in der räumlichen Ebene ersten Impulslichtquelle und Ansteuerung einer zweiten Impulslichtquelle, wird der Anfangsbereich der Bewegungsbahn des Prüfobjektes sowohl bei Programmaufnahme als auch bei Programmwiederholung erkennbar. Um die Bewegungsbahn des Industrieroboters hinreichend oft zu markieren, werden ausgehend von der maximalen Programmiergeschwindigkeit alle 25O ms ein Lichtimpuls ausgesendet.

Dabei wird die Emissionszeit der Impulslichtquellen begrenzt und die Intensität während der Abstrahlung derart erhöht, daß die verwendeten Kleinstglühlampen mit einem mehrfachen Spannungswert ihrer Nennspannung betrieben werden.

Damit wird im weiteren Verlauf der Bahn eine mit Unterbrechungen synchron zu den Impulslichtquellen markierte Lichtspur aufgezeichnet. Das Meßsystem steuert über einen Festwertspeicher alle Steuerimpulse so, daß diese ausgehend vom Startimpuls gleichartig bei beliebigen Wiederholungen abläuft.

Claims (1)

1. 2. 7 O 3 6 7

   Patentanspruch

   /I. Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsbahn von vorwiegend direkt teach-in programmierbaren Industrierobotern, bei der das bekannte Verfahren der terrestischen Stereophotogrammetrie in der Disposition des sogenannten Normalfalles angewendet wird, und bei dem zwei Universalmeßkammern im Zusammenhang mit einem Stereokomperator oder anderer geeigneter Bilderfassungssysteme und Impulslichtquellen benutzt werden, eine meßtechnische Auswertung erfolgt und die gewonnenen Daten in einem Kleinrechner übernommen und verarbeitet werden, gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung zeitsynchron zum zu prüfenden Industrieroboter in einem Zeitraster über Impulslichtquellen (52), die vorzugsweise in den Eckpunkten eines Tetraeders, dessen Höhe in Wirkrichtung des Werkzeuges liegt, angeordnet sind und von der Zyklussteuerung (66) derart mit Strom beschickt werden, daß die Impulsliohtquellen ausgehend von der maximalen Programmiergeachwindigkeit einen Lichtimpuls aussenden und daß damit definierte Markierungen für den Anfangsbereich der Bewegungsbahn des Prüfobjektv)s sowohl bei Programmaufnahme als auch Programmwiederholung entstehen und im weiteren Verlauf der Bahn eine mit Unterbrechungen markierte Lichtspur aufgezeichnet wird und daß die Ablaufsteuerung (63) in Verbindung mit einem Festwertspeicher (68) alle Steuerimpulse so steuert, daß die mit dem Stereokomperator oder dem Bilderfassungssystem meßbaren Abweichungen homologer Bahnpunkte zwischen Programmaufnahme und Wiederholung bzw. Wiederholungen ein Maß für die Abweichung von der programmierten Bewegung sind.

   Hierzu 7 Seiten Zeichnungen