DE3143834C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schweißroboter nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Beim Schweißen großer Werkstücke mit einem Schweißroboter können erhebliche Fehler auftreten, wenn der Schweißroboter bei mehreren aufeinanderfolgenden Werkstücken die Schweißnaht gemäß einer immer wiederholten Bahnsteuerung ausführt, weil infolge von Werkstückungenauigkeiten und Lageungenauigkeiten die Schweißnaht nicht selten um etwa 5 bis 10 mm von der Soll- Schweißlinie abweicht. Damit ist eine erhebliche Ungenauigkeit und Exemplarstreuung bei den Werkstücken verbunden. Es hat sich als schwierig erwiesen, auf diese Weise eine zufriedenstellende Schweißung durchzuführen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind Schweißroboter entwickelt worden, die im on-line-Betrieb die tatsächliche Schweißlinie abtasten, indem sie den Positionsfehler der Schweißkopfspitze gegenüber der Soll-Schweißlinie durch Überwachung des Schweißstromes oder durch Überwachung des beim Schweißen erzeugten Entladungsbogens mit einer Fernsehkamera, die am Schweißkopf befestigt ist, überwachen.

Das Koordinatensystem zur Kennung des Positionsfehlers hängt von der Art des Fehlerdetektors (im folgenden als "Sensor" bezeichnet) ab. Beispielsweise erkennt gemäß Fig. 1 a ein Sensor zur Überwachung des Schweißstromes den Fehler in den Richtungen A-A′ und B-B′, die jeweils parallel und rechtwinklig in bezug auf den Schweißkopf 3 verlaufen, während ein Sensor mit Fernsehkameras den Positionsfehler der Schweißkopfspitze in den Richtungen C-C′ und D-D′ erkennt, die unter einem Winkel von 45° zur Längsachse des Schweißkopfes 3 verlaufen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Koordinatensysteme zur Erkennung des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze weichen also voneinander ab. Das Koordinatensystem der Fig. 1 und dasjenige der Fig. 2 werden im folgenden als U- Koordinatensystem bzw. V-Koordinatensystem bezeichnet, um die Erläuterung zu vereinfachen. Im Stand der Technik ist es üblich, daß die Steuerachse des Roboters mit dem Koordinatensystem, in dem der Sensor die Positionswerte angibt, übereinstimmt, damit keine Differenzen in den Koordinatensystemen bei Verwendung unterschiedlicher Sensorarten auftreten.

Bei Schweißrobotern, die eine derartige Steuerachse haben, sind jedoch die durchführbaren Schweißmöglichkeiten unvermeidlich stark eingeschränkt. In engen oder schwer zugänglichen Teilen kann auf diese Weise nicht geschweißt werden. Eine bekannte Vorrichtung zur Ermöglichung der Schweißung in engen Teilen weist einen Arm auf, der in der horizontalen und der vertikalen Ebene schwenkbar ist (Fig. 3a und b) und der zwischen einem Roboterkörper 5 und dem Schweißkörper 3 angeordnet ist.

Bei diesem bekannten System ist das Erkennungs-Koordinatensystem, nach dem der an dem Schweißkopf befestigte Sensor arbeitet, schweißkopfbezogen, während die Schweißkopfposition auf der Basis des Koordinatensystems der Roboter-Steuerachse angegeben wird. Die beiden Koordinatensysteme weichen daher voneinander ab. Insbesondere wenn ein Roboter eine Schweißarbeit durchführt, während die Position einer Gelenkvorrichtung 4 gemäß Fig. 4 sich ändert, wird eine Korrekturbewegung erforderlich, d. h. der von dem Sensor ermittelte Positionsfehler der Schweißkopfspitze muß in eine Verschiebebewegung des Roboters umgesetzt werden.

Bei variierenden Schweißfugenformen, die in den Fig. 5a bis 5d dargestellt sind, ändern sich auch die Bedingungen der Schweißkopfbewegungen entsprechend und in vielen Fällen muß sogar ein spezieller Sensor benutzt werden. In solchen Fällen ist es natürlich wünschenswert, denjenigen Sensor an dem Schweißkopf 3 anzubringen, der in Anpassung an die Art der Schweißfuge die besten Ergebnisse bringt. Die bekannten Robotersteuerungen sind jedoch nicht imstande, den Korrekturvorgang in Abhängigkeit von dem Sensortyp auszuführen.

Der aus der Druckschrift "Kuka-Industrieroboter IR 601/60" bekannte Industrieroboter ist auch für Schweißarbeiten geeignet und weist als Korrektursystem zur Verbesserung der Wiederholgenauigkeit eine Nullpunkt- Justierung auf. Dieses Korrektursystem ermöglicht es, nur die Wiederholgenauigkeit der Bahnsteuerung eines Schweißroboters zu verbessern, nicht jedoch Fehler auszugleichen, die dadurch entstehen, daß automatisch zugeführte Werkstücke Lageungenauigkeiten bzw. Werkstückungenauigkeiten aufweisen. Der bei diesem Industrieroboter verwendete Sensor dient nur dazu, die Bahnsteuerung zu programmieren. Er dient nicht dazu, Positionsfehler festzustellen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schweißroboter mit einem Korrektursystem zu schaffen, das die tatsächliche Schweißlinie abtasten kann und Korrektursignale für den Schweißroboter erzeugt, die die Bahnsteuerung des Schweißkopfes indirekt beeinflussen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Korrektursignale wirken nur auf die Stellglieder des Roboterkörpers ein und nicht unmittelbar auf den Schweißkopf. Dadurch bleibt in vorteilhafter Weise die ursprünglich programmierte Schweißkopfausrichtung in bezug auf die Schweißlinie erhalten. Dies ist dort von Bedeutung, wo der Schweißkopf seine ursprünglich programmierte Lage zur Schweißfuge, z. B. bei eingeengten Platzverhältnissen oder schwer zugänglichen Schweißlinien unbedingt einhalten muß und eine Korrektur der absoluten Schweißkopfposition nicht über eine Veränderung der relativen Schweißkopfposition zur Schweißlinie erfolgen darf. Positionsfehler werden also durch Veränderung der Position des Roboterkörpers ausgeglichen und nicht mit einer Veränderung der Schweißkopfposition bei unveränderter Lage des Roboterkörpers.

Dadurch, daß der Positionsfehler der Schweißkopfspitze in dem gleichen Koordinatensystem festgestellt wird, wie die Position des Schweißkopfes selbst, ist es ohne weiteres möglich, einen Sensor zusammen mit den in dem Speicher enthaltenen Koeffizientensignalen, die sich auf diesen bestimmten Sensor beziehen, bei Bedarf auszuwechseln. Dieses Korrektursystem des Schweißroboters ermöglicht daher eine Anpassung an verschiedene Schweißaufgaben, die unterschiedliche Sensoren erfordern.

Bei dem erfindungsgemäßen Schweißroboter werden die Koeffizientenwerte sequentiell aus dem Speicher ausgelesen, der die Koeffizientenwerte entsprechend dem Koordinatensystem des benutzten Sensors enthält. Das Auslesen erfolgt in Abhängigkeit von der Istposition des Armes des Roboters. Der ausgelesene Koeffizientenwert wird mit dem von dem Sensor ermittelten Positionsfehler der Schweißkopfspitze multipliziert und das Ergebnis wird in Verschiebewerte für die drei Achsen X, Y und Z des Roboters umgewandelt. Die umgewandelten Werte (im folgenden als Korrekturwerte bezeichnet) werden einer Steuervorrichtung zugeführt, um die Verschiebewerte der drei Achsen zu korrigieren.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1-6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Darstellungen zur Erläuterung der Schweißkopfbewegungen,

Fig. 3a und 3b die Gelenkvorrichtung des Schweißroboters,

Fig. 4 Darstellung der Armbewegung während der Bahnsteuerung,

Fig. 5a bis 5d verschiedene Schweißfugenarten, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Bahnkorrekturvorrichtung.

Gemäß den Fig. 3a und 3b weist der mit einer Bahnkorrektureinrichtung ausgestattete Schweißroboter eine Gelenkvorrichtung 4 mit einem gewissen Freiheitsgrad auf. Ein Arm 5 a des Roboterkörpers 5 ist so gesteuert, daß er sich in den Richtungen der Achsen X, Y und Z bewegen und am vorderen Ende des Armes 5 a ist die Gelenkvorrichtung 4 installiert. Diese Gelenkvorrichtung 4 ist so gesteuert, daß sie um Gelenkachsen herum um bestimmte Winkel R und Φ innerhalb der horizontalen bzw. der vertikalen Ebene gedreht werden kann und an dem vorderen Ende 4 a der Gelenkvorrichtung ist ein Schweißkopf 3 installiert. Der Schweißkopf 3 kann demnach Bewegungen in Richtung der Achsen X, Y und Z (der drei Grundachsen des Roboters) und Drehungen R und Φ in der horizontalen und vertikalen Ebene ausführen. Die Steuervorrichtung 6 dient zur Steuerung der Bewegungen des Armes 5 a in den Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen des Roboterkörpers 15 und zur Steuerung der Verschwenkung der Gelenkvorrichtung 4 in der horizontalen und der vertikalen Ebene. Die Steuervorrichtung 6 speichert eine Anzahl von Sollpunkten, d. h. die Positionsdaten Dx, Dy und Dz des Armes 5 und Positionsdaten D R und Φ der Gelenkvorrichtung 4. Die Daten dieser Sollpunkte werden sequentiell als Steuersignale ex, ey, ez, e R und e Φ (Fig. 6) ausgegeben, um die Axialbewegungen des Roboters und die Drehwinkel R und Φ der Gelenkvorrichtung auf der Basis der Positionsdaten Dx, Dy, Dz, D R und D Φ entsprechend den anzufahrenden Sollpunkten während der Bahnsteuerung, d. h. während des Schweißvorganges, zu steuern. Der Arm 5 wird entsprechend den Steuersignalen ex, ey, und ez in Richtung der X-, Y-, und der Z-Achse gesteuert, während an der Gelenkvorrichtung 4 die Schwenkwinkel entsprechend den Steuersignalen e R und e Φ eingestellt werden.

Gemäß Fig. 6 ist die Korrekturvorrichtung mit der Steuervorrichtung 6 verbunden. Sie erzeugt Signale, die der jeweiligen Position der Gelenkvorrichtung 4 entsprechen, ein Signal S, das den Typ des verwendeten Sensors angibt, und Korrektursignale Δ x Δy und Δ z, die den Steuersignalen ex, ey und ez der Steuervorrichtung entsprechen, auf der Basis eines Signals Ds, das den Fehler der Schweißkopfspitze gegenüber der von einem Sensor entdeckten Schweißnaht L angibt. Fig. 6 zeigt eine Anordnung, die mit zwei verschiedenen Sensorarten zusammenarbeiten kann. Eine Bahnsteuerungs-Korrektureinrichtung 10 enthält Speicher 11 und 12 zur Speicherung von Korrekturkoeffizienten für die einzelnen Koordinatensysteme, einen Selektor 13 für die Auswahl von Koeffizientenwerten für den benutzten Sensor aus den von den Speichern 11 und 12 ausgegebenen Koeffizientenwerten und zur Ausgabe der ausgewählten Werte, sowie eine arithmetische Schaltung 14 zur Umsetzung der ausgewählten Koeffizientenwerte in die drei Axialverschiebungen des Roboterkörpers 15 durch Multiplizierung dieser Werte mit dem von dem Sensor angegebenen Wert des Fehlers der Schweißkopfspitze. Der Speicher 11 speichert beispielsweise Korrekturkoeffizienten Ku (Kux, Kuy, Kuz) zur Umwandlung des in dem oben erwähnten U-Koordinatensystem (Fig. 1a) ermittelten Fehlers in Werte, die den X-, Y- und Z-Achsen des Roboters entsprechen. Diese Koeffizientenwerte werden für eine Anzahl bestimmter Drehwinkel gespeichert, beispielsweise für jeden Winkelgrad, wobei die Positionsdaten R und Φ der Gelenkvorrichtung 4 als Parameter benutzt werden. Bei der Bahnsteuerung geben diese Speicher 11 und 12 entsprechend der Istposition der Gelenkvorrichtung 4, d. h. entsprechend den Winkeln R und Φ sequentiell die Werte Ku (Kux, Kuy, Kuz) und Kv (Kvx, Kvy, Kvz) aus.

Zusätzlich gibt die Steuervorrichtung 6 Steuersignale ex, ey, ez, e R und e Φ aus, die den während der Bahnsteuerung in der Sollwertstufe gespeicherten Daten Dx, Dy, Dz, D R und D Φ entsprechen, treibt den Arm 5 a und die Gelenkvorrichtung 4 des Roboterkörpers 5 an und steuert den Schweißkopf 3. Der Sensor gibt ein Signal S aus, das die Art des Sensors kennzeichnet und ein dem Wert des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze gegenüber der Schweißlinie L entsprechendes Signal Ds aus und führt das Signal S dem Selektor 13 und das Signal Ds der arithmetischen Schaltung 14 zu. Den Speichern 11 und 12 werden die den Istwinkeln R und Φ der Gelenkvorrichtung 4 zugeführt und die entsprechenden Koeffizienten Ku (Kux, Kuy, Kuz) und Kv (Kvx, Kvy, und Kvz) werden sequentiell ausgegeben und dem Selektor 13 zugeführt. Der Selektor 13 wählt entweder die Koeffizientenwerte Ku oder Kv aus und führt die betreffende Wertegruppe der arithmetischen Schaltung 14 zu. Diese arithmetische Schaltung 14 gibt den Korrekturwert Δ (Δ x, Δ y, Δ z) auf der Basis der selektierten Koeffizientenwerte und des Ist-Fehlerwertes Ds des Schweißkopfes 3 gegenüber der Schweißfuge aus. Der Korrekturwert Δ(Δ x, Δ y, Δ z) ist durch Umwandlung des Fehlers Ds des Schweißkopfes 3 in die Koordinaten des Roboterkörpers 5 in X-, Y-, und Z-Richtung entstanden. Dieser Korrekturwert Δ (Δ x, Δ y, Δ z) wird der Steuervorrichtung 6 zugeführt. Die Steuervorrichtung 6 korrigiert die Steuersignale ex, ey, und ez entsprechend dem Korrekturwert C und gibt die so korrigierten Signale als Signale ex′, ey′ und ez′ aus. Dann steuert die Steuervorrichtung 6 die Position des Armes 5 a auf der Basis dieser korrigierten Steuersignale ex′, ey′ und ez′ und sie steuert ferner die Stellung des Schweißkopfes 3.

Zur Verdeutlichung der obigen Beschreibung werden im folgenden die Operationen des Speichers 12 und der arithmetischen Schaltung 14 für den Fall erläutert, daß der dem V-Koordinatensystem angehörenden Sensor benutzt wird. Das V-Koordinatensystem ist, wie oben dargelegt, ein Koordinatensystem, das an dem Schweißkopf 3 fest ist und in dem die Erkennung des Fehlers der Schweißkopfspitze in Richtungen erfolgt, die 45° gegenüber dem Schweißkopf 3 geneigt, d. h. in den Richtungen C-C′ und D-D′ in Fig. 2. Wenn c und d die Komponenten der gemessenen Werte in den Richtungen C-C′ und D-D′ sind und Δ x, Δ y, und Δ z die Komponenten des Korrekturwertes Δ in Richtung der X-, Y-, bzw. Z-Achse darstellen, gilt:

Δ x = c sin (45° - Φ) sin R + d cos (45° - Φ) cos R (1)
Δ y = c sin (45° - Φ) sin R + d cos (45° - Φ) sin R (2)
Δ z = c cos (45° - Φ) + d sin (45° - Φ) (3)

In dem Speicher 12, dessen Inhalt im V-Koordinatensystem angegeben ist, sind Gruppen aus sechs Werten gespeichert. Diese Werte erhält man für jeden der Winkel Φ und R aus sin (45° - Φ) sin R und cos (45°- Φ) cos R für den Koeffizienten KVx, aus sin (45° - Φ) sin R und cos (45° - Φ) sin R für den Koeffizienten KVy und aus cos (45°- Φ) und sin (45° - Φ) für den Koeffizienten Kvz.

Als Antwort auf die Eingangssignale Φ und R, die als Adressensignale benutzt werden, gibt der Speicher 12 die obengenannten sechs Werte aus. Das Signal Ds enthält den Wert c und d der in den Richtungen C-C′ und D-D′ gemäß Fig. 2 gemessen wurde. Die arithmetische Schaltung 14 führt die arithmetische Operation gemäß den Gleichungen (1) bis (3) durch und gibt als Antwort auf die Eingangswerte von c und d und die obengenannten sechs Werte die Korrekturwerte Δ x, Δ y und Δ z aus.

Auf diese Weise werden die Einstellungen in den drei Achsen des Roboterkörpers 5 in Abhängigkeit von der Isteinstellung der Gelenkvorrichtung 4 und der Art des verwendeten Sensors korrigiert und der Schweißkopf 3 wird so gesteuert, daß er der Schweißfuge L exakt folgt.

Die Speicher 11 und 12 müssen nicht notwendigerweise für jede Sensorart separat vorgesehen sein. Beispielsweise kann auch ein einziger Speicher vorgesehen werden, in den die Koeffizientenwerte des jeweils benutzten Sensors eingegeben werden und dessen Inhalt neu eingespeichert wird, wenn ein anderer Sensortyp benutzt wird.

Die Erfindung ermöglicht eine Bahnsteuerung, bei der der Schweißkopf der Schweißfuge präzise folgt, indem der durch Umwandlung des Wertes des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze entstandene Korrekturwert in dem Koordinatensystem der drei Achsen des Roboterkörpers angegeben wird, wobei die Eingangssignale der Isteinstellungen der Gelenkvorrichtung, die Koordinatensysteme der Sensorerkennung und der Wert des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze berücksichtigt werden.

Claims (4)

1. Schweißroboter mit Bahnsteuerung entlang einer Schweißlinie, mit einem Roboterkörper, auf den ein Grundkoordinatensystem bezogen ist, mit einem Schweißkopf, mit einem Speicher, mit einer arithmetischen Schaltung, und mit einem Korrektursystem für die Bahnsteuerung, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen dem Roboterkörper (5) und dem Schweißkopf (3) eine Gelenkvorrichtung (4) mit mindestens einem Freiheitsgrad angeordnet ist,
• - daß das Korrektursystem mindestens einen Sensor enthält, der ein Positionsfehlersignal der Schweißkopfspitze gegenüber der Schweißlinie in einem auf den Schweißkopf bezogenen Koordinatensystem ermittelt,
• - daß der Speicher (11, 12) Lagesignale der Gelenkvorrichtung (4) erhält und unter Verwendung des Lagesignals als Adressensignal Koeffizientensignale ausgibt, und
• -daß die arithmetische Schaltung (14) auf das Grundkoordinatensystem bezogene Korrektursignale in Abhängigkeit von den Positionsfehlersignalen in Verbindung mit den entsprechenden Koeffizientensignalen erzeugt und den Roboterkörper (5) auf der Basis der Korrektursignale zur Reduzierung des Positionsfehlers ansteuert.

2. Schweißroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkvorrichtung (4) zwei schwenkbare Teile aufweist, die um rechtwinklig zueinander verlaufende Achsen schwenkbar sind.

3. Schweißroboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagesignal der Gelenkvorrichtung (4) die Schwenkstellungen der beiden Schwenkteile (3, 4) angibt.

4. Schweißroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboterkörper (5) in drei rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen antreibbar ist und, daß die arithmetische Schaltung (14) die Korrektursignale in allen Koordinaten des Grundkoordinatensystems, das auf die Bewegungsachsen des Roboterkörpers bezogen ist, erzeugt.