DE19943318A1

DE19943318A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie

Info

Publication number: DE19943318A1
Application number: DE1999143318
Authority: DE
Inventors: Charalambos Tassakos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Erfassen der Position von Bahnpunkten (13) einer Trajektorie (2), die entlang eines Werkstücks (3) verläuft. Um das Erfassen der Position der Bahnpunkte zu vereinfachen und zu beschleunigen, wird vorgeschlagen, dass DOLLAR A - ein Werkzeug (6) wird mit Hilfe eines Roboters (4) in eine Arbeitsrichtung entlang zumindest eines Teils der Trajektorie (2) bewegt, wobei das Werkzeug (6) in Arbeitsrichtung nachgiebig ausgebildet ist; DOLLAR A - das Werkzeug (6) wird mit Hilfe eines an dem Roboter (5) befestigten Kraft-/Momentensensor-Elements (7) entlang der Trajektorie (2) manuell geführt; DOLLAR A - die Signale des Kraft-/Momentensensor-Elements (7) werden in Steuersignale zum Bewegen des Roboters (4) umgesetzt; und DOLLAR A - die Position des Werkzeugs (6) wird während der Bewegung entlang der Trajektorie (2) erfasst. DOLLAR A Gemäß einer Weiterbildung kann auch die Ausrichtung des Werkzeugs (6) in den Bahnpunkten erfasst werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie, die entlang eines Werkstücks verläuft.

Das Erfassen der Position von Bahnpunkten ist für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. So kann bspw. die Außenkontur eines Werkstücks erfaßt werden, indem eine Gitterstruktur über die Oberfläche des Werkstücks gelegt und die Position der Bahnpunkte auf der Gitterstruktur erfasst wird. Die Gitterlinien der Gitterstruktur stellen dabei die Trajektorien dar, die entlang des Werkstücks verlaufen und auf denen die Bahnpunkte erfasst werden. Aus der Gesamtheit der auf diese Weise ermittelten Positionen der Bahnpunkte kann dann ein Volumenmodell des Werkstücks erstellt werden.

Das Erfassen der Position von Bahnpunkten auf einer Trajektorie ist aber auch für die Programmierung von Robotern, insbesondere von Industrierobotern, mittels des sog. Teaching- Verfahrens interessant. Die Programme für Roboter bestehen aus einer Folge von Verfahrbefehlen zum Steuern der Roboterbewegungen. Beim Teaching-Verfahren werden die Verfahrbefehle mit den dazugehörigen Koordinaten nicht unmittelbar programmiert. Die Koordinaten der Verfahrbefehle werden vielmehr durch Nachfahren einer gewünschten Roboterbewegung und durch Übernahme der Koordinaten an ausgewählten Punkten auf der nachgefahrenen Roboterbahn erfasst. Zum Nachfahren der gewünschten Roboterbewegung kann der zu programmierende Roboter verwendet werden, der von einer Bedienperson mit Hilfe einer externen Steuerung entsprechend angesteuert wird.

Bei diesem bekannten Verfahren zum Erfassen der Position von Bahnpunkten wird jeder zu erfassende Bahnpunkt gesondert angefahren und die Position des Werkzeugs auf ein gesondertes Signal der Bedienperson für jeden Bahnpunkt hin erfasst. Das bekannte Verfahren ist deshalb sehr arbeits- und zeitaufwendig.

Komplizierte, insbesondere gekrümmte, Bewegungsbahnen können aus einer Folge von mehreren 100 Punkten zusammengesetzt sein. Nicht selten müssen zur Programmierung von Industrierobotern zum Abfahren von Trajektorien entlang komplizierter Form- oder Gießteile, wie sie bspw. in der Kraftfahrzeugfertigung häufig anzutreffen sind, die Positionen einiger 1000 Bahnpunkte erfasst werden. Das Erfassen der Positionen der Bahnpunkte, die Überprüfung der erfassten Bahnpunkte und die Umsetzung in entsprechende Verfahrbefehle kann bei besonderes komplizierten Trajektorien mehrere Wochen dauern. Als weiterer Nachteil kommt die Fehleranfälligkeit des bekannten Verfahren hinzu.

Wenn das bekannte Verfahren zum Teachen von Roboterprogrammen eingesetzt wird, muss eine Bedienpersonen neben Programmierkenntnissen auch Kenntnisse über die Anwendung verfügen, die von dem Roboter ausgeführt wird. Mit Blick auf die Kraftfahrzeugfertigung kann die Anwendung des Roboters bspw. die Entgratung eines Werkstücks, insbesondere eines Formteils oder Gießteils aus Metall, Kunststoff oder Gummi, oder das Einlegen von Profilgummidichtungen in einen Einlegesteg eines Werkstücks, insbesondere einer Türverkleidung eines Kraftfahrzeugs, ausgeführt sein. Es ist äußerst schwierig, auf dem Arbeitsmarkt Bedienpersonen zu finden, die sowohl Programmierkenntnisse als auch Kenntnisse über die Roboteranwendung verfügen. Selbst wenn sie gefunden werden, sind sie relativ teuer.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie, die entlang eines Werkstücks verläuft, zu vereinfachen und gleichzeitig zu beschleunigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch die nachfolgenden Schritte

- ein Werkzeug wird mit Hilfe eines Roboters in eine Arbeitsrichtung entlang zumindest eines Teils der Trajektorie bewegt, wobei das Werkzeug in Arbeitsrichtung nachgiebig ausgebildet ist;
- das Werkzeug wird mit Hilfe eines an dem Roboter befestigten Kraft-/Momentensensor-Elements entlang der Trajektorie manuell geführt;
- die Signale des Kraft-/Momentensensor-Elements werden in Steuersignale zum Bewegen des Roboters umgesetzt; und
- die Position des Werkzeugs wird während der Bewegung entlang der Trajektorie erfasst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkzeug von einer Bedienperson entlang der Trajektorie geführt. Dadurch kann zum Bewegen des Werkzeugs auf der Trajektorie entlang eines Werkstücks das Wissen der Bedienperson ausgenutzt werden. Das Wissen der Bedienperson umfaßt z. B. den optimalen Verlauf der Trajektorie und die optimale Ausrichtung des Werkzeugs während der Bewegung entlang der Trajektorie.

Zum Bewegen des Werkzeugs entlang der Trajektorie wird ein Roboter eingesetzt, an dem ein Kraft-/Momentensensor-Element befestigt ist. Das hat den Vorteil, dass die Bedienperson nicht die gesamte Kraft, die zum Bewegen des Werkzeugs entlang der Trajektorie benötigt wird, selbst aufbringen muss. Die Bedienperson übt eine Kraft auf das Kraft-/Momentensensor- Element aus. Die Größe der Kraft ist abhängig von der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit. Die Richtung der Kraft ist abhängig von der gewünschten Bewegungsrichtung des Werkzeugs entlang der Trajektorie. Das Kraft-/Momentensensor- Element erzeugt in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung der Kraft Signale, die in Steuersignale zum Bewegen des Roboters umgesetzt werden. Das Werkzeug wird von der Bedienperson also gewissermaßen servounterstützt entlang der Trajektorie bewegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muß nicht mehr jeder einzelne Bahnpunkt gesondert angefahren und erfasst werden. Vielmehr kann während der Bewegung des Werkzeugs bspw. zu diskreten Zeitpunkten die Position des Werkzeugs erfasst werden. Das setzt jedoch voraus, dass die Position des Werkzeugs zumindest näherungsweise der zu erfassenden Position der Bahnpunkte der Trajektorie entspricht und dass die Trajektorie einigermaßen gleichmäßig abgefahren werden kann. Durch die in Arbeitsrichtung nachgiebige Lagerung des Werkzeugs an dem Roboter kann das Werkzeug kleine Abweichungen von der Trajektorie während der Bewegung entlang der Trajektorie ausgleichen und ermöglicht eine besonders gleichmäßige Bewegung des Werkzeugs. So entsprechen die erfassten Positionen des Werkzeugs bis auf geringe Abweichungen den Positionen der Bahnpunkte der Trajektorie.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Zeit zur Programmierung von Robotern mittels des Teaching-Verfahrens von bisher mehreren Wochen auf wenige Tage reduziert werden. Beim Einrichten einer Vielzahl von Fertigungszellen mit Robotern wird dadurch eine Realisierung von deutlich mehr Fertigungszellen in derselben Zeit ermöglicht. Zudem wird das Erfassen der Position von Bahnpunkten auf einer Trajektorie wesentlich vereinfacht.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht insbesondere auf dem Führen des Werkzeugs mittels des an dem Roboter befestigten Kraft-/Momentensensor-Elements in Verbindung mit dem in Arbeitsrichtung nachgiebig ausgebildeten Werkzeug. Diese beiden Merkmale gemeinsam ermöglichen das Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie auf einfache und schnelle Weise.

Für die Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wird der Roboter zu Hilfe genommen. Dabei ist es unerheblich ob das Werkstück ortsfest angeordnet ist und das Werkzeug von dem Roboter bewegt wird oder ob das Werkzeug ortsfest angeordnet ist und das Werkstück von dem Roboter bewegt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass auch die Ausrichtung des Werkzeugs während der Bewegung entlang der Trajektorie in den Bahnpunkten erfasst wird. Vorteilhafterweise wird die Position und/oder die Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück erfasst. Unter Berücksichtigung dieser zusätzlichen Funktionen kann die Programmierung von Robotern mittels des Teaching-Verfahrens mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter vereinfacht und beschleunigt werden. Es kann die Lage, d. h. die Position und die Ausrichtung, eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück erfasst werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass durch an dem Roboter angeordnete Betätigungsmittel der Beginn und das Ende eines Aufzeichnungszeitraums bestimmt wird, in dem während der Bewegung des Werkzeugs entlang der Trajektorie die Position und/oder die Ausrichtung des Werkzeugs erfasst wird. Die Betätigungsmittel sind vorzugsweise in der Nähe des Kraft-/ Momentensensor-Elements angeordnet, so dass eine Bedienperson mit einer Hand sowohl das Werkzeug entlang der Trajektorie führen als auch die Betätigungsmittel betätigen kann. Mit Hilfe der Betätigungsmittel kann die Position von Bahnpunkten auch lediglich in einem bestimmten Bahnabschnitt, der während des Aufzeichnungszeitraums abgefahren wird, erfasst werden. Falls bspw. die Positionen der Bahnpunkte in einem bestimmten Bahnabschnitt falsch aufgenommen wurden, kann dieser Bahnabschnitt gezielt nachgefahren und die Positionen der Bahnpunkte der Trajektorie in diesem Bahnabschnitt gezielt erneut erfasst werden, ohne dass die gesamte Trajektorie noch einmal abgefahren werden muss. Im Extremfalls kann der Beginn und das Ende des Aufzeichnungszeitraums so gewählt werden, dass die Trajektorie in diesem Aufzeichnungszeitraum lediglich einen Bahnpunkt aufweist, dessen Position erfasst wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Position und/oder die Ausrichtung des Werkzeugs in einem bestimmten Zeittakt erfasst wird. Als Zeittakt wird vorzugsweise der Robotertakt gewählt, bspw. ein 12 ms-Takt.

Vorteilhafterweise werden die erfassten Positionen der Bahnpunkte und/oder die erfassten Ausrichtungen des Werkzeugs abgespeichert. Die abgespeicherten Positionen und Ausrichtungen können dann jederzeit zur Erstellung von Verfahrbefehlen eines Roboterprogramms aufgerufen werden. Auf diese Weise können die einmal erfassten Werte zur Erstellung mehrerer Roboterprogramme herangezogen werden. Aus den abgespeicherten Positionen und Ausrichtungen können bestimmte Werte gezielt herausgegriffen und in ein Roboterprogramm übertragen werden.

Die abgespeicherten Positionen der Bahnpunkte und/oder die abgespeicherten Ausrichtungen des Werkzeugs werden vorzugsweise zur Programmierung eines Roboters zum programmgesteuerten Abfahren der Trajektorie entlang des Werkstücks herangezogen.

Selbstverständlich kann auch das gesamte fertige Roboterprogramm abgespeichert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird also vorzugsweise nur einmal je Trajektorie zur Erstellung eines Roboterprogramms durchlaufen. Das erstellte Roboterprogramm kann dann zum programmgesteuerten Nachfahren weiterer Trajektorien entlang der erfassten Bahnpunkte und mit der erfassten Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück herangezogen werden. Beim programmgesteuerten Nachfahren der Trajektorien kann die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs beliebig variiert werden. Ebenso kann die aufgezeichnete Trajektorie beliebig skaliert, rotiert, gespiegelt oder in anderer Weise variiert werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird des weiteren eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch

- einen Roboter zum Bewegen eines Werkzeugs in eine Arbeitsrichtung entlang zumindest eines Teils der Trajektorie, wobei das Werkzeug in Arbeitsrichtung nachgiebig ausgebildet ist;
- ein an dem Roboter befestigtes Kraft-/Momentensensor- Element zum manuellen Führen des Werkzeugs entlang der Trajektorie,
- Mittel zum Umsetzen der Signale des Kraft-/ Momentensensor-Elements in Steuersignale zum Bewegen des Roboters; und
- Mittel zum Erfassen der Position des Werkzeugs während der Bewegung entlang der Trajektorie.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Roboter Mittel zum Erfassen der Ausrichtung des Werkzeugs in den Bahnpunkten während der Bewegung entlang der Trajektorie aufweist.

Die Position der Bahnpunkte und die Ausrichtung des Werkzeugs in den Bahnpunkten kann in absoluten Werten erfasst werden. Alternativ wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Mittel zum Erfassen der Position und die Mittel zum Erfassen der Ausrichtung die Position bzw. die Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück erfassen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Roboter einen gelenkig bewegbaren Roboterarm aufweist, an dessen distalem Ende das Werkzeug angeordnet ist, wobei das Kraft-/ Momentensensor-Element zwischen dem distalen Ende des Roboterarms und dem Werkzeug angeordnet ist. Das Werkzeug eines derart ausgebildeten Roboters kann von einer Bedienperson besonders sicher und genau entlang der Trajektorie geführt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Roboter Betätigungsmittel zur Signalisierung des Beginns und des Endes eines Aufzeichnungszeitraums zum Erfassen der Position und/oder Ausrichtung des Werkzeugs während der Bewegung entlang der Trajektorie aufweist. Die Betätigungsmittel sind vorzugsweise an ergonomisch günstiger Stelle in der Nähe des Kraft-/Momentensensor-Elements an dem Roboter angeordnet, so dass die Bedienperson mit einer Hand das Werkzeug führen und die Betätigungsmittel betätigen kann.

Vorteilhafterweise erfassen die Mittel zum Erfassen der Position und/oder die Mittel zum Erfassen der Ausrichtung des Werkzeugs während der Bewegung entlang der Trajektorie die Position bzw. die Ausrichtung des Werkzeugs in einem bestimmten Zeittakt. Der Zeittakt entspricht bspw. dem Robotertakt, z. B. 12 msec.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kraft-/Momentensensor- Element ein einerseits an dem distalen Ende des Roboterarms und andererseits an dem Werkzeug befestigtes Trageelement und ein über einen Kraft-/Momentensensor an dem Trageelement befestigtes Bewegungselement aufweist. Die Bedienperson umgreift mit der Hand das Bewegungselement und übt Kräfte auf das Bewegungselement aus. Der Kraft-/Momentensensor nimmt die Größe und die Richtung der Kräfte auf und erzeugt entsprechende Signale, die in Steuersignale für den Roboter umgewandelt werden. Die Steuersignale werden an Stelleinheiten des Roboters weitergeleitet und bewirken eine Bewegung des an dem Roboter befestigten Werkzeugs in die von der Bedienperson gewünschten Richtung.

Das Kraft-/Momentensensor-Element liefert vorteilhafterweise Kraft-Vektoren in drei zueinander orthogonale Richtungen (x, y, z) und Momenten-Vektoren in drei Richtungen (a, b, c) um die drei zueinander orthogonalen Richtungen (z, y, x). Mit einem derartigen Kraft-/Momentensensor-Element ist es möglich die Lage, d. h. die Position und die Ausrichtung, eines Manipulators im dreidimensionalen Raum, d. h. in sechs Freiheitsgraden, zu erfassen.

Das Werkzeug ist vorteilhafterweise an dem Roboter in Arbeitsrichtung federnd nachgiebig befestigt. Dadurch kann es beim Abfahren der Trajektorie geringe Abweichungen von der Trajektorie ausgleichen. Das Werkzeug wird idealerweise mit einem definierten Anpreßdruck entlang der Trajektorie auf dem Werkstück geführt. Falls das Werkzeug etwas zu dicht an dem Werkstück geführt wird, gibt es nach, wodurch eine Beschädigung des Werkzeugs verhindert wird. Falls das Werkzeug etwas zu weit weg von dem Werkstück geführt wird, wird es von der Federkraft auf das Werkstück gedrückt, wodurch verhindert wird, dass es von dem Werkstück abhebt und eine Bearbeitung des Werkstücks nicht gegeben ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Verbindung mit unterschiedlichen Anwendung eingesetzt werden. Interessant ist insbesondere für solche Anwendungen, bei denen der Verlauf einer Trajektorie im dreidimensionalen Raum erfasst werden soll, um entsprechende Verfahrbefehle für ein Roboterprogramm zu generieren (Teaching-Verfahren).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Werkzeug als ein Entgratungswerkzeug zum Entgraten eines Werkstücks, insbesondere eines Formteils oder Gießteils aus Metall, Kunststoff oder Gummi, ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Werkzeug als ein an dem Roboter federnd gelagertes Entgratungsmesser ausgebildet. Ein derartiges Entgratungswerkzeug ist bspw. aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 99/01167 bekannt. Das Entgratungsmesser ist in einem um eine zentrische Achse drehbaren Tragarm für das Werkzeug befestigt. Der Tragarm wird von zwei auf entgegengesetzten Seiten des Tragarms auf diesen einwirkende Federanordnungen beaufschlagt und bei einer Auslenkung in die Ausgangsposition zurückgeführt. Der Schneidwinkel, d. h. die Ausrichtung des Entgratungsmessers relativ zu dem Werkstück, stellt sich über die Anpreßkraft, mit der das Entgratungsmesser auf das Werkstück gedrückt wird, automatisch ein. Aufgrund der federnden Lagerung des Entgratungsmessers kann es auch bei relativ großen Kräften oder Momenten, die in den Grob-Bahnpunkten zwischen dem Manipulator und dem Werkstück wirken, nicht beschädigt werden oder gar abbrechen.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass das Entgratungswerkzeug als ein an dem Roboter drehbar gelagerter Fadenfräser ausgebildet ist. Ein derartiges Entgratungswerkzeug ist bspw. aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 97/01928 bekannt. Der Fadenfräser weist einen an dem Roboterkopf drehbar gelagerten Schaft auf. Entlang des Schafts sind koaxial zur Schaftachse verlaufende, linienförmige, relativ zum Schaft festgelegte Werkzeugelemente angeordnet, die sich bei rotierendem Schaft in radialer Richtung unter Einwirkung der Fliehkraft ausbauchen können. An dem Schaft ist ein oberer und ein unterer Träger befestigt, von denen zumindest einer an dem Schaft verschiebbar gelagert ist. Zwischen dem oberen und dem unteren Träger wirkt eine Federanordnung konzentrisch zu dem Schaft. Aufgrund der nachgiebigen Werkzeugelemente des Fadenfräsers kann er auch bei relativ großen Kräften oder Momenten, die in den Grob-Bahnpunkten zwischen dem Manipulator und dem Werkstück wirken, nicht beschädigt werden oder gar abbrechen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Werkzeug als ein an dem Roboter federnd gelagerter Profilgummi- Einlegekopf zum Einlegen von Profilgummidichtungen in einen Einlegesteg eines Werkstücks, insbesondere einer Türverkleidung eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist. Ein derartiger Profilgummi-Einlegekopf ist bspw. aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 894 563 A bekannt. Der Profilgummi-Einlegekopf ist über eine Führungsschiene und einen Führungsdorn mit Druckfeder an dem Roboterkopf federnd gelagert. Das Einlegen der Profilgummidichtung erfolgt selbsttätig sowie zugfrei und schubfrei. Aufgrund der federnden Lagerung des Einlegekopfes kann es auch bei relativ großen Kräften oder Momenten, die in den Grob-Bahnpunkten zwischen dem Manipulator und dem Werkstück wirken, nicht zu einer Beschädigung des Einlegekopfes kommen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie, die entlang eines Werkstücks verläuft, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1, der das distale Ende eines Roboterarms eines Roboters und das Werkstück zeigt; und

Fig. 3 das distale Ende des Roboterarms aus Fig. 2, teilweise im Schnitt.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Die Trajektorie 2 verläuft durch Bahnpunkte entlang der Oberfläche eines Werkstücks 3. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 3 als ein Formteil oder Gießteil aus Metall, Kunststoff oder Gummi ausgebildet, und die Trajektorie 2 repräsentiert einen Grat auf dem Werkstück 3.

Die Vorrichtung 1 weist einen Roboter 4 mit einem mehrgliedrigen Roboterarm auf. An dem distalen Ende 5 des Roboterarms ist ein Werkzeug 6 mittels einer Werkzeughalterung 11 befestigt. Das Werkzeug 6 wird auf der Trajektorie 2 entlang der Oberfläche des Werkstücks 3 geführt.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug 6 als ein Entgratungsmesser ausgebildet, das in Arbeitsrichtung federnd nachgiebig in der Werkzeughalterung 11 gehalten ist. Das Werkzeug 6 kann insbesondere auch als ein Fadenfräser oder ein Profilgummi-Einlegekopf oder als ein Tastkopf zum Vermessen eines Werkstücks ausgebildet sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkzeug 6 von einer Bedienperson (nicht dargestellt) entlang der Trajektorie 2 geführt. Dadurch kann zum Bewegen des Werkzeugs 6 auf der Trajektorie 2 entlang des Werkstücks 3 das Wissen der Bedienperson ausgenutzt werden. Das Wissen der Bedienperson umfaßt z. B. den optimalen Verlauf der Trajektorie 2 und die optimale Ausrichtung des Werkzeugs 6 während der Bewegung des entlang der Trajektorie 2.

Zum Bewegen des Werkzeugs 6 entlang der Trajektorie 2 wird der Roboter 4 eingesetzt, an dem ein Kraft-/Momentensensor- Element 7 zwischen dem distalen Ende 5 des Roboterarms und der Werkzeughalterung 11 befestigt ist. Das Kraft-/ Momentensensor-Element 7 ist in den Fig. 1 und 2 nur symbolisch dargestellt. Der genaue Aufbau des Kraft-/ Momentensensor-Elements 7 kann der Fig. 3 entnommen werden. Das Kraft-/Momentensensor-Element 7 weist ein rohrförmiges Trageelement 8 auf, das einerseits an dem distalen Ende 5 des Roboterarms und andererseits an der Werkzeughalterung 11 befestigt ist. An einer Stirnseite im Inneren des Trageelements 8 ist ein Kraft-/Momentensensor 10 angeordnet. Ein Bewegungselement 9 ragt durch Öffnungen in dem Trageelement 8 in das Innere des Trageelements 8 und ist über den Kraft-/Momentensensor 10 an dem Trageelement 8 befestigt.

Das Bewegungselement 9 ist relativ zu dem Trageelement 8 in sechs Freiheitsgraden x, y, z, a, b, c frei bewegbar.

Die Bedienperson übt eine Kraft auf das Bewegungselement 9 des Kraft-/Momentensensor-Elements 7 aus. Die Größe der Kraft ist abhängig von der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 6 auf der Oberfläche des Werkstücks 3. Die Richtung der Kraft ist abhängig von der gewünschten Bewegungsrichtung des Werkzeugs 6. Das Kraft-/Momentensensor-Element 7 erzeugt in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung der Kraft Signale, die in Steuersignale zum Bewegen des Roboters 4 umgesetzt werden. Das Werkzeug 6 wird von der Bedienperson also gewissermaßen servounterstützt entlang der Trajektorie 2 bewegt. Das hat den Vorteil, dass die Bedienperson nicht die gesamte Kraft, die zum Bewegen des Werkzeugs 6 entlang der Trajektorie 2 benötigt wird, selbst aufbringen muss, sondern lediglich mit einer wesentlich geringeren Kraft auf das Bewegungselement 9 des Kraft-/Momentensensor-Elements 7 einwirken muss.

Während der Bewegung des Werkzeugs 6 werden bspw. zu diskreten Zeitpunkten die Positionen des Werkzeugs 6 erfasst. Durch Betätigungsmittel 12, die an dem Kraft-/Momentensensor- Element angeordnet sind, kann der Beginn und das Ende eines Aufzeichnungszeitraums bestimmt werden, in dem während der Bewegung des Werkzeugs 6 entlang der Trajektorie 2 die Position und/oder die Ausrichtung des Werkzeugs 6 erfasst wird. Die Betätigungsmittel 12 können von der Bedienperson nach Bedarf betätigt werden.

Durch die in Arbeitsrichtung nachgiebige Lagerung des Werkzeugs 6 an der Werkzeughalterung 11 bzw. an dem distalen Ende 5 des Roboterarms kann das Werkzeug 6 kleine Abweichungen von der Trajektorie 2 während der Bewegung entlang der Trajektorie 2 ausgleichen und ermöglicht eine besonders gleichmäßige Bewegung des Werkzeugs 6. So entsprechen die erfassten Positionen des Werkzeugs 6 bis auf geringe Abweichungen den zu erfassenden Positionen der Bahnpunkte der Trajektorie 2.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht insbesondere auf dem Führen des Werkzeugs 6 mittels des an dem Roboter 4 befestigten Kraft-/Momentensensor-Elements 7 in Verbindung mit dem in Arbeitsrichtung nachgiebig ausgebildeten Werkzeug 6. Diese beiden Merkmale gemeinsam ermöglichen das Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie 2 auf einfache und schnelle Weise.

Für die Relativbewegung zwischen dem Werkzeug 6 und dem Werkstück 3 wird der Roboter 4 zu Hilfe genommen. Dabei ist es unerheblich ob das Werkstück 3 ortsfest angeordnet ist und das Werkzeug 6 von dem Roboter 4 bewegt wird oder ob das Werkzeug 6 ortsfest angeordnet ist und das Werkstück 3 von dem Roboter 4 bewegt wird.

Neben der Position des Manipulators 5 wird von der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 auch die Ausrichtung des Werkzeugs 6 relativ zu dem Werkstück 3 erfasst. Die Ausrichtung des Werkzeugs 6 entspricht bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dem Schneidwinkel alfa des Entgratungsmessers.

Die erfassten Positionen und Ausrichtungen des Werkzeugs 6 können zur Generierung von Verfahrbefehlen eines Roboterprogramms herangezogen werden. Eine derartige Programmierung wird auch als Teaching-Verfahren bezeichnet. Für die Entgratung weiterer Werkstücke 3 muss der Roboter 4 also nicht mehr im Teaching-Verfahren betrieben werden, sondern kann die programmierte Trajektorie 2 mit der programmierten Ausrichtung des Werkzeugs 6 von dem Roboterprogramm gesteuert abfahren.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Zeit zur Programmierung von Robotern 4 mittels des Teaching-Verfahrens von bisher mehreren Wochen auf wenige Tage reduziert werden. Beim Einrichten einer Vielzahl von Fertigungszellen mit Robotern 4 wird dadurch eine Realisierung von deutlich mehr Fertigungszellen in derselben Zeit ermöglicht. Zudem wird das Erfassen der Position von Bahnpunkten auf einer Trajektorie 2 wesentlich vereinfacht.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie (2), die entlang eines Werkstücks (3) verläuft, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:

- ein Werkzeug (6) wird mit Hilfe eines Roboters (4) in eine Arbeitsrichtung entlang zumindest eines Teils der Trajektorie (2) bewegt, wobei das Werkzeug (6) in Arbeitsrichtung nachgiebig ausgebildet ist;
- das Werkzeug (6) wird mit Hilfe eines an dem Roboter (4) befestigten Kraft-/Momentensensor-Elements (7) entlang der Trajektorie (2) manuell geführt;
- die Signale des Kraft-/Momentensensor-Elements (7) werden in Steuersignale zum Bewegen des Roboters (4) umgesetzt; und
- die Position des Werkzeugs (6) wird während der Bewegung entlang der Trajektorie (2) erfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung des Werkzeugs (6) während der Bewegung entlang der Trajektorie (2) in den Bahnpunkten erfasst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder die Ausrichtung des Werkzeugs (6) relativ zu dem Werkstück (3) erfasst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch an dem Roboter (4) angeordnete Betätigungsmittel (12) der Beginn und das Ende eines Aufzeichnungszeitraums bestimmt wird, in dem während der Bewegung des Werkzeugs (6) entlang der Trajektorie (2) die Position und/oder die Ausrichtung des Werkzeugs (6) erfasst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder die Ausrichtung des Werkzeugs (6) in einem bestimmten Zeittakt erfasst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Positionen und/oder Ausrichtungen des Werkzeugs (6) abgespeichert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die abgespeicherten Positionen der Bahnpunkte und/oder die abgespeicherten Ausrichtungen des Werkzeugs (6) zur Programmierung eines Roboters (4) zum programmgesteuerten Abfahren der Trajektorie (2) entlang des Werkstücks (3) herangezogen werden.

8. Vorrichtung (1) zum Erfassen der Position von Bahnpunkten einer Trajektorie (2), die entlang eines Werkstücks (3) verläuft, gekennzeichnet durch

- einen Roboter (4) zum Bewegen eines Werkzeugs (6) in eine Arbeitsrichtung entlang zumindest eines Teils der Trajektorie (2), wobei das Werkzeug (6) in Arbeitsrichtung nachgiebig ausgebildet ist;
- ein an dem Roboter (4) befestigtes Kraft-/ Momentensensor-Element (7) zum manuellen Führen des Werkzeugs (6) entlang der Trajektorie (2),
- Mittel zum Umsetzen der Signale des Kraft-/ Momentensensor-Elements (7) in Steuersignale zum Bewegen des Roboters (4); und
- Mittel zum Erfassen der Position des Werkzeugs (6) während der Bewegung entlang der Trajektorie (2).

9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (4) Mittel zum Erfassen der Ausrichtung des Werkzeugs (6) in den Bahnpunkten während der Bewegung entlang der Trajektorie (2) aufweist.

10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der Position und die Mittel zum Erfassen der Ausrichtung die Position bzw. die Ausrichtung des Werkzeugs (6) relativ zu dem Werkstück erfassen.

11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (4) einen gelenkig bewegbaren Roboterarm aufweist, an dessen distalem Ende (5) das Werkzeug (6) angeordnet ist, wobei das Kraft-/Momentensensor-Element (7) zwischen dem distalen Ende (5) des Roboterarms und dem Werkzeug (6) angeordnet ist.

12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (4) Betätigungsmittel (12) zur Signalisierung des Beginns und des Endes eines Aufzeichnungszeitraums zum Erfassen der Position und/oder Ausrichtung des Werkzeugs (6) während der Bewegung entlang der Trajektorie (2) aufweist.

13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der Position und/oder die Mittel zum Erfassen der Ausrichtung des Werkzeugs (6) während der Bewegung entlang der Trajektorie (2) die Position bzw. die Ausrichtung des Werkzeugs (6) in einem bestimmten Zeittakt erfassen.

14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraft-/Momentensensor- Element (7) ein einerseits an dem distalen Ende (5) des Roboterarms und andererseits an dem Werkzeug (6) befestigtes Trageelement (8) und ein über einen Kraft-/ Momentensensor (10) an dem Trageelement (8) befestigtes Bewegungselement (9) aufweist.

15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraft-/Momentensensor- Element (7) Kraft-Vektoren in drei zueinander orthogonale Richtungen (x, y, z) und Momenten-Vektoren in drei Richtungen (a, b, c) um die drei zueinander orthogonalen Richtungen (z, y, x) liefert.

16. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (6) an dem Roboter (4) in Arbeitsrichtung federnd nachgiebig befestigt ist.

17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (6) als ein Entgratungswerkzeug zum Entgraten eines Werkstücks (3), insbesondere eines Formteils oder Gießteils aus Metall, Kunststoff oder Gummi, ausgebildet ist.

18. Vorrichtung (1) nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (6) als ein an dem Roboter (4) federnd gelagertes Entgratungsmesser ausgebildet ist.

19. Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Entgratungswerkzeug als ein an dem Roboter (4) drehbar gelagerter Fadenfräser ausgebildet ist.

20. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (6) als ein an dem Roboter (4) federnd gelagerter Profilgummi- Einlegekopf zum Einlegen von Profilgummidichtungen in einen Einlegesteg eines Werkstücks (3), insbesondere einer Türverkleidung eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist.