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Die Erfindung betrifft eine Einmessvorrichtung zum Einmessen eines
Arbeitspunktes von Werkzeugen für Industrieroboter sowie ein Verfahren zum
Einmessen eine Arbeitspunktes von Werkzeugen für Industrieroboter mit einer
solchen Messvorrichtung.
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Industrieroboter haben zum Anfahren beliebiger Punkte innerhalb eines
Arbeitsraums mehrere miteinander verbundene Arme, einen Handflansch am Ende des
letzten Arms der miteinander verketteten Arme, und ein Werkzeug, das an den
Handflansch angebracht ist. Das Werkzeug kann beispielsweise ein Greifer, ein
Schweißkopf oder ähnliches sein.
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Die Lage und Orientierung des Handflansches oder des Arbeitspunktes eines an
den Handflansch angebrachten Werkzeugs kann in einem ortsfesten
roboterunabhängigen Weltkoordinatensystem oder einem ortsfesten auf einen
Verankerungspunkt des Industrieroboters bezogenen Basiskoordinatensystem erfolgen.
Die Beschreibung der Lage der Freiheitsgrade, d. h. der Achsen und der
Handorientierung erfolgt hingegen in Roboterkoordinaten, wobei ausgehend von der
Grundachse des Roboters, d. h. des Basiskoordinatensystems, für jeden Arm ein
Achsen-Roboterkoordinatensystem definiert ist, das die relative Lage jeder Achse
bezogen auf ihre vorgehende Achse beschreibt. Der Zusammenhang der Achsen-
Roboterkoordinatensysteme eines Industrieroboters wird durch definierte
Koordinatentransformationen beschrieben. Durch Vorgabe der Lage und der
Orientierung des Handflansch oder des Arbeitspunktes eines Werkzeugs im
Weltkoordinatensystem können somit durch Koordinatentransformation die Achsen-
Roboterkoordinaten berechnet werden, um die einzelnen Achsen des
Industrieroboters ansteuern zu können.
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Die Lage eines Arbeitspunktes eines Werkzeuges, das an den Handflansch des
Industrieroboters angebracht wird, wird durch sogenannte TCP-Lagekoordinaten
beschrieben. Die Programmierung des Industrieroboters erfolgt auf der Basis des
Handflanschs und der festgelegten TCP-Lagekoordinaten. Die TCP-
Lagekoordinaten werden bei jedem Werkzeug mitgeliefert und sind als Tool-
Center-Point (TCP) bekannt. Die TCP-Lagekoordinaten sind ebenso wie die
Achsen-Roboterkoordinaten jeweils ein Vektor mit sechs Dimensionen. Die ersten
drei Koordinaten definieren die Lage des Arbeitspunktes relativ zu dem
Werkzeugbasispunkt des Industrieroboters, d. h. des Befestigungspunktes des
Werkzeugs an dem Handflansch. Die anderen drei Koordinaten definieren die
Orientierung der Achsen des Arbeitspunktes relativ zu dem Werkzeugbasispunkt.
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Der Arbeitspunkt des Werkzeugs kann beispielsweise die Spitze eines
Schweißkopfes sein. Nur wenn die TCP-Lagekoordinaten exakt bekannt sind, kann der
Arbeitspunkt des Werkzeugs präzise verfahren werden.
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Im Betrieb kann sich der Arbeitspunkt des Werkzeugs jedoch durch
Werkzeugverschleiß, Verbiegung etc. ändern, was zu einer fehlerhaften Positionierung des
Arbeitspunktes des Werkzeugs führt.
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Es besteht daher die Notwendigkeit den Arbeitspunkt von Werkzeugen
hochgenau einzumessen.
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In der EP 0 417 320 A1 ist ein Verfahren zum Einmessen des Arbeitspunktes
(TCP) des Werkzeuges eines Industrieroboters beschrieben, bei dem ein
Einstellpunkt an dem Handflansch des Roboterarms festgelegt ist, wobei die Position
des Einstellpunktes relativ zu dem Handflansch bekannt ist. Weiterhin ist eine
Referenzspitze im Arbeitsraum des Industrieroboters aufgestellt. Zum Einmessen
des Arbeitspunktes wird die Spitze des Werkzeugs auf die Referenzspitze
aufgesetzt und die Position und Orientierung der Werkzeugspitze in einem
Basiskoordinatensystem bestimmt. Dann wird der Einstellpunkt des Handflansches auf die
Referenzspitze aufgesetzt und die Position und Orientierung des Einstellpunktes
in dem Koordinatensystem des Handflansches bestimmt. Zudem wird die
Position und Orientierung der Referenzspitze in dem Bezugskoordinatensystem
bestimmt und aus den drei Matrizen eine Transformationsmatrix zur Bezeichnung
der TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes des Werkzeuges berechnet.
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Das Einmessen erfordert einen mehrstufigen Verfahr-Vorgang sowie
Koordinatentransformationen.
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Aus dem US-Patent 6,352,354 B1 ist ein Lichtpunktelement zur Erzeugung eines
Lichtpunktsignals an einem Arbeitspunkt eines Industrieroboter-Werkzeugs
beschrieben. Hierdurch kann die genaue Position des Werkzeugs während einer
Lernphase beschrieben werden.
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In dem US-Patent 5,929,584 ist ein Verfahren zum Einmessen eines
Arbeitspunktes von Werkzeugen mit einem Kalibrierblock beschrieben, der vertikale
und horizontale Flächen hat. Durch Bewegung des Werkzeugs von einer
Startposition bis zu einem Berührungspunkt des Werkzeugs an einer der Flächen und
Zurückfahren des Werkzeugs zum Startpunkt und Wiederholen des Vorgangs für
die andere Fläche werden die TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes
berechnet. Hierzu ist nachteilig eine aufwändige Koordinatentransformation von dem
Bezugskoordinatensystem über die einzelnen Roboterkoordinaten bis zu dem
Handflansch erforderlich, um aus den Bezugskoordinaten die TCP-
Lagekoordinaten im TCP-Koordinatensystem zu ermitteln.
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Aufgabe der Erfindung war es, eine verbesserte Einmessvorrichtung zum
Einmessen eines Arbeitspunktes von Werkzeugen für Industrieroboter sowie ein
Verfahren hierzu zu schaffen, um im Betrieb präzise und schnell den
Arbeitspunkt von Werkzeugen einmessen zu können.
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Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Einmessvorrichtung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einmessvorrichtung mehrere sich in einem
Referenz-Kreuzungspunkt kreuzende Lichtschranken hat.
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Im Unterschied zu den herkömmlichen Kalibrierblöcken mit horizontalen und
vertikalen Flächen kann eine solche Einmessvorrichtung mit Gabellichtschranken
relativ klein und leicht aufgebaut und fest im Arbeitsraum des Industrieroboters
montiert werden. Im Betrieb kann der Arbeitspunkt des Werkzeugs, in der Regel
die Werkzeugspitze, in den Referenz-Kreuzungspunkt der Lichtschranken
gefahren werden, um die TCP-Lagekoordinaten (Tool-Center-Point-TCP) neu
einzumessen.
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Hierzu hat die Lichtschrankenmesseinrichtung vorzugsweise einen auf einer Seite
offenen Rahmen mit zwei voneinander beabstandeten parallelen Schenkeln.
Mindestens im Bereich des vorderen und hinteren Endes der Schenkel ist jeweils ein
Sender und Empfänger für zwischen den Schenkeln zu dem Rahmen
ausgerichtete Lichtschranken vorgesehen. Das Werkzeug kann somit in diese U-förmige
Einmessvorrichtung hineingefahren und solange dort verfahren werden, bis der
Arbeitspunkt, d. h. die Werkzeugspitze des Werkzeuges den Referenz-
Kreuzungspunkt passiert und beide Lichtschranken unterbrochen sind und
demzufolge ein Schaltsignal abgeben. Dann werden die TCP-Lagekoordinaten
ermittelt.
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Die Lichtschranken sind vorzugsweise als Infrarot-Lichtschranken ausgeführt.
Das Einmessen des Arbeitspunktes erfolgt vorzugsweise mit den Schritten:
- a) Festlegen der TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes des Werkzeuges
bezogen auf einen Werkzeugbasispunkt des Industrieroboters und eines
auf den Arbeitspunkt bezogenen TCP-Koordinatensystems,
- b) Verfahren des Werkzeuges mit Bezug auf das TCP-Koordinatensystem
solange, bis der Arbeitspunkt des Werkzeuges in dem Referenz-
Kreuzungspunkt der Lichtschrankenmesseinrichtung liegt,
- c) Korrigieren der TCP-Lagekoordinaten um die Differenz zwischen den
festgelegten TCP-Lagekoordinaten und der beim Verfahren des Werkzeuges in
Bezug auf das TCP-Koordinatensystem unmittelbar im TCP-
Koordinatensystem vorliegenden Lage des Arbeitspunktes in dem
Referenz-Kreuzungspunkt.
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Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, das Werkzeug in Bezug auf das
TCP-Koordinatensystem zu verfahren, d. h. die Steuerung erfolgt nicht wie
herkömmlich auf der Basis des Weltkoordinatensystems oder
Basiskoordinatensystems des Industrieroboters, sondern unmittelbar mit Bezug auf TCP-
Koordinatensystem. Das TCP-Koordinatensystem hat in der Regel seinen
Ursprung im Arbeitspunkt, beispielsweise der Messspitze des Werkzeugs, und eine
Orientierung in Richtung des Werkzeugbasispunktes, beispielsweise des
Befestigungspunktes des Werkzeugs an dem Handflansch.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass die Steuerungsposition des Industrieroboters
unmittelbar auf das TCP-Koordinatensystem bezogen ist und ohne weitere
Transformationen die Verschiebung des Arbeitspunktes relativ zu den vorher
festgelegten TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes bestimmt werden kann.
Es wird somit die Verschiebung des Referenz-Kreuzungspunktes bezogen auf
den Ursprung des TCP-Koordinatensystems bestimmt, wobei der Ursprung des
TCP-Koordinatensystems in der Regel den Arbeitspunkt eines neuwertigen
Werkzeuges beschreibt. Die TCP-Lagekoordinaten können somit unmittelbar
ohne weitere Transformation zur Korrektur der vorher festgelegten TCP-
Lagekoordinaten verwendet werden.
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Diese Vorgehensweise führt einerseits dazu, dass zum Einmessen lediglich ein
einfacher Referenz-Kreuzungspunkt im Arbeitsraum des Industrieroboters
definiert werden muss. Die Einmessvorrichtung kann somit relativ einfach im
Vergleich zu einem Kalibrierblock aufgebaut werden. Zudem ermöglicht das
Verfahren das schnelle und einmalige Anfahren des Referenz-Kreuzungspunktes durch
die Werkzeugspitze, um eine Korrektur der TCP-Lagekoordinaten bei Verschleiß,
Verbiegung oder ähnliches des Werkzeuges vorzunehmen. Dies wird auf
einfache Weise nur dadurch erreicht, dass das Werkzeug zum Einmessen im TCP-
Koordinatensystem geführt wird. Der Ursprung des TCP-Koordinatensystems, d. h. der Arbeitspunkt des Werkzeugs wird auf dem früher festgelegten
Arbeitspunkt stationär gehalten und es werden somit die Basiskoordinaten des
Referenz-Kreuzungspunktes der Lichtschrankenmesseinrichtung in Bezug auf den
früher festgelegten Arbeitspunkt vermessen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Einmessvorrichtung mit zwei sich kreuzenden Lichtschranken;
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Fig. 2 Draufsicht auf die Einmessvorrichtung nach Fig. 1;
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Fig. 3 Skizze eines Industrieroboters mit mehreren Armen und
Basiskoordinatensystem sowie Achsenkoordinatensystemen;
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Fig. 4 Skizze der Verlagerung des Arbeitspunktes eines Werkzeugs nach
Verschleiß in Bezug auf ein TCP-Koordinatensystem.
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Die Fig. 1 lässt eine erfindungsgemäße Einmessvorrichtung 1 in
perspektivischer Ansicht erkennen. Die Einmessvorrichtung 1 hat einen auf einer Seite
offenen Rahmen 2 mit zwei voneinander beabstandeten parallelen Schenkeln 3a,
3b. Die Einmessvorrichtung 1 ist somit U-förmig. Die Schenkel 3a, 3b sind
integral mit einer Halteplatte 4 verbunden, mit der die Einmessvorrichtung 1 ortsfest
in dem Arbeitsraum des Industrieroboters montiert werden kann.
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In den Schenkeln 3a, 3b sind diagonal hierzu ausgerichtete Lichtschranken 5a,
5b vorgesehen, die sich in einem Referenz-Kreuzungspunkt R im Zwischenraum
zwischen den Schenkeln 3a, 3b treffen. Hierzu ist jeweils ein Sender 6 und ein
Empfänger 7 pro Lichtschranke 5a, 5b an einem vorderen Ende eines ersten
Schenkels 3a und am hinteren Endes des anderen Schenkels 3b für die erste
Lichtschranke 5a bzw. an dem hinteren Ende des ersten Schenkels 3a und dem
vorderen Ende des zweiten Schenkels 3b für die zweite Lichtschranke 5b
angebracht. Auf diese Weise wird eine Gabellichtschranke geschaffen, die
vorzugsweise als Infrarot-Lichtschranke ausgebildet ist.
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Die Fig. 2 lässt die Einmessvorrichtung 1 in der Draufsicht erkennen. Es wird
deutlich, dass die Lichtschranken 5a, 5b diagonal zwischen den Schenkeln 3a
und 3b verlaufen und sich im Zwischenraum der Schenkel 3a, 3b in einem
Referenz-Kreuzungspunkt R treffen.
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Ein Arbeitspunkt TCP eines Werkzeugs für einen Industrieroboter, beispielsweise
die Werkzeugspitze, wird zum Einmessen des Arbeitspunktes TCP so verfahren,
dass der Arbeitspunkt TCP in dem Referenz-Kreuzungspunkt R der
Einmessvorrichtung 1 liegt. In diesem Falle sind beide Lichtschranken 5a, 5b durch die
Werkzeugspitze unterbrochen, so dass ein Schaltsignal erzeugt wird.
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Das Einmessverfahren wird im Folgenden näher erläutert.
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Die Fig. 3 lässt eine Skizze eines Industrieroboters 8 erkennen. Ein
Industrieroboter 8 hat ein Basiskoordinatensystem ≙0 oder Weltkoordinatensystem, das
ortsfest in Bezug auf das Fundament des Industrieroboters 8 ausgerichtet ist. An
dem Sockel 9 befindet sich eine Kette von über Gelenke 10 miteinander
verbundene Arme 11. Für jeden dieser Arme 11 ist ein Achsen-Koordinatensystem ≙1,
≙2, ≙3 definiert, mit dem Position und Orientierung des jeweiligen Endes des
entsprechenden Arms 11 in Bezug auf das zugeordnete Gelenk 10, mit der Arm
11 mit dem vorhergehenden Arm 11 verbunden ist, beschreibt.
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An dem Ende der Kette von Armen 11 befindet sich eine Handfläche 12, an die
das Werkzeug 13 angebracht ist.
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Für das Werkzeug 13 ist ein TCP-Koordinatensystem ≙TCP festgelegt, das einen
Ursprung in dem Arbeitspunkt TCP des Werkzeugs hat. Für das Werkzeug 13
werden auf der Basis dieses TCP-Koordinatensystems OTCP TCP-Lagekoordinaten
bereitgestellt, die die Position und Orientierung des Arbeitspunktes TCP in Bezug
auf den Werkzeugbasispunkt W am Handflansch 12, d. h. in Bezug auf den
Befestigungspunkt des Werkzeugs 13 an dem Industrieroboter 8 definiert.
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Um die TCP-Lagekoordinaten im Betrieb bezogen auf den Werkzeugbasispunkt W
des Industrieroboters 8 schnell und mit geringen Rechenaufwand einmessen zu
können, wird erfindungsgemäß die Werkzeugspitze des Werkzeugs 13 in den
Referenz-Kreuzungspunkt R der ortsfest montierten Einmessvorrichtung 1 auf
der Basis des TCP-Koordinatensystems ≙TCP, verfahren. Es erfolgt somit eine auf
den Arbeitspunkt TCP bezogene Interpolation des Verfahrweges beim Führen
des Werkzeugs 13 durch den Industrieroboter 8. Der Ursprung des TCP-
Koordinatensystems ≙TCP wird hierbei stationär in Bezug auf die festgelegten
TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes TCP gehalten. Aus dem Verfahrweg
kann direkt die Verschiebung des Arbeitspunktes TCP bei Verschleiß oder
Verbiegen des Werkzeugs 13 in den TCP-Koordinaten bestimmt werden. Es wird
also quasi eine Verschiebung des Referenz-Kreuzungspunktes R in Bezug auf
einen ursprünglichen Referenz-Kreuzungspunkt RTCP bestimmt. Damit entfällt die
Notwendigkeit, aufwändige Koordinatentransformationen durchzuführen und es
braucht lediglich wie in einem Schritt der Referenz-Kreuzungspunkt R angefahren
werden.
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Die Fig. 4 lässt das Werkzeug 13 mit dem TCP-Koordinatensystem ≙TCP
erkennen, dass seinen Ursprung im Arbeitspunkt TCP des Werkzeugs 13 hat. Für den
Fall der skizzierten Verkrümmung des Werkzeuges verlagert sich der
Arbeitspunkt TCP1 in Bezug auf den vorher festgelegten ursprünglichen
Arbeitspunkt TCP0. Die TCP-Lagekoordinaten sind um diese Verschiebung
ΔTCP0 = TCP1 - TCP0 zu korrigieren. Da erfindungsgemäß die Steuerung des
Industrie-Roboters 8 in Bezug auf das TCP-Koordinatensystem ≙TCP erfolgt, wird die
Differenz zwischen den ursprünglich festgelegten TCP-Lagekoordinaten TCP0und die Lage des neuen Arbeitspunktes TCP1 eines verschlissenen Werkzeugs 13
unmittelbar ermittelt.