DE102008007382A1

DE102008007382A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Positionieren eines Werkzeugs an einem Werkstück einer Scheibe in ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008007382A1
Application number: DE102008007382A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hollinger; Sven Heissmeyer; Norbert Cottone
Original assignee: KUKA Innotec GmbH
Current assignee: Arotec Automation und Robotik GmbH
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2009-08-13
Also published as: WO2009095267A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Werkzeugs an einem Werkstück, wobei das Werkzeug mit definiertem TCP in der Nähe des Werkstücks in eine erste Vorposition vor das Werkstück bewegt wird, mindestens einmal Punkte auf mindestens einer Konturlinie des Werkstücks durch Sensoren als Messpuntke erfasst werden, jeweils der Abstand von Messpunkten zu der entsprechenden Konturlinie in CAD-Daten des Werkstücks bestimmt wird, eine Minimierung der so bestimmten Abstände vorgenommen wird und nach Erreichen vorgegebener Minimalabstände das Werkzeug in eine hierdurch definierte Arbeitsposition an das Werkstück bewegt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung mit Sensoren zur Vermessung von Messpunkten auf einer Konturlinie des Werkstücks, mit einer Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung jeweils des Abstandes von erfassten Messpunkten zu der entsprechenden Konturlinie in CAD-Daten des Werkstücks zur Minimierung der so bestimmen Abstände und mit einer Steuereinrichtung zum Verfahren des Werkzeugs in eine so berechnete Arbeitsposition mit vorgegebenen Toleranzen unterschreitenden Abständen von Messpunkten zu korrigierten Punkten der aus CAD-Daten berechneten Konturlinie des Werkstücks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Positionieren eines an einem Roboterarm eines Roboters angeordneten Werkzeugs, wie einer Aufnahmeeinrichtung für eine Scheibe, an einem Werkstück, wie einer Scheibe oder eines eine solche aufnehmenden Rahmens der Öffnung eines Kraftfahrzeugs.
Die Montage der Scheibe, wie insbesondere einer Heckscheibe in einem Kraftfahrzeug, stellt einen wichtigen Schritt in der Produktionskette jedes Automobilherstellers dar. Die Heckscheibe muss mittig in die Karosserie eingesetzt werden, so dass die Abstände zwischen Scheibe und Karosse für das menschliche Auge als gleich erscheinen. Hierbei sind bei den Abständen lediglich Toleranzen von 0,1 mm erlaubt.
Sowohl bei der Heckscheibe als auch bei der Karosserie ergeben sich Ungenauigkeiten, die durch Fertigungstoleranzen (Geometrieabweichungen bei der Scheibe/Karosserie) entstehen. Zusätzlich kommen Ungenauigkeiten durch Positionsfehler bei der Ablage der Scheibe und der Karosserie hinzu.
Beim manuellen Einbau der Scheibe verwendet man üblicherweise einen Unterlegkeil, der an den kritischen Stellen für einen optimalen Abstand zwischen Schreibe und Karosserie sorgt.
Gerade in der Automobilbranche ist der Trend zu automatisierten Lösungen nicht aufzuhalten und so wird auch der Verbau der Heckscheibe oft mit entsprechender Automatisierung betrieben. Hier kommen zu den Fertigungstoleranzen auch noch Ungenauigkeiten bei der Bereitstellung bzw. Aufnahme der Heckscheibe und bei der Positionierung der Karosserie hinzu. Die bisherigen Ergebnisse sind oftmals nicht zufriedenstellend. Die hohe Ausschussrate macht eine manuelle Nachbesserung erforderlich. Es ist schon bekannt, zur Erfassung von Ungenauigkeiten bei bzw. nach der Aufnahme der Scheibe und bei Einpassung in die Karosserie Sensoren auf einem Greifwerkzeug zum Ergreifen der Heckscheibe vorzusehen. Die gewonnenen Sensordaten werden nacheinander ausgewertet und es werden schrittweise Korrekturwerte für den Versatz in einzelnen Richtungen bzw. Verdrehungen um einzelne Achsen nacheinander berechnet. Hierbei wird in jedem Schritt nur eine Teilmenge der möglichen drei Verschiebungsrichtungen und drei Drehwinkel genutzt. Durch die Lösung Verschiebung bzw. Drehung nacheinander ergeben sich Fehler bei der Zuordnung.
Nach dem Stand der Technik wird in der Regel mit einer Referenzscheibe und einer Referenzkarosserie als Basissystem gearbeitet. Derartige Referenzobjekte haben aber ihre eigenen Toleranzen und sind mit Ungenauigkeiten behaftet. Darüber hinaus stellt es einen erheblichen Aufwand dar, solche Referenzobjekte korrekt abzumessen und in die Steuerungsvorrichtung für ein Handhabungsgerät mit einem Greifwerkzeug einzulernen. Darüber hinaus ist nicht davon auszuge hen, dass im späteren Produktionsumfeld derartige Referenzobjekte vorhanden sind. Es sind auch Verfahren bekannt, die davon ausgehen, dass die Scheibe zur Aufnahme mit dem Handhabungsgerät exakt positioniert ist und daher nicht mehr vermessen wird. Abgesehen davon, dass dies in der Regel nicht der Fall ist, sind darüber hinaus Toleranzen aus der Fertigung der Scheibe zu berücksichtigen.
Ein grundlegendes Problem bei der Verwendung der Sensorwerte besteht darin, dass eine eindeutige Zuordnung zwischen idealem Referenzpunkt und aufgenommenen Sensorpunkt nicht möglich ist. Denn durch die auftretenden Toleranzen ist nicht bekannt, welchen Punkt der Sensor auf dem zu messenden Objekt tatsächlich aufnimmt. Beispielsweise kann die Konturlinie der Sensorpunkte im Allgemeinen nicht mit der Konturlinie der idealen Punkte in Überdeckung gebracht werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Abholung zwecks Einbau in eine Karosserie bereitgestellte Scheibe, insbesondere eine Heckscheibe, mit einem Robotersystem aufzunehmen und diese in eine bereitgestellte Karosse einzubauen, wobei Toleranzen, die durch Fertigung und/oder Bereitstellen (Positioniertoleranzen) bedingt sind, bei Aufnahme und Verbau der Scheibe berücksichtigt werden sollen.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe zunächst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Werkzeug zum Aufnehmen der Scheibe mit definiertem TCP in der Nähe des Werkstücks in eine erste Vorposition vor das Werkstück bewegt wird, mindestens einmal Punkte auf mindestens einer Konturlinie des Werkstücks durch Sensoren als Messpunkte S erfasst werden, jeweils der Abstand von Messpunkten zu der entsprechenden Konturlinie in CAD-Daten des Werkstücks bestimmt wird, eine Minimierung der so bestimmten Abstände vorgenommen wird, und nach Erreichen vorgegebener Minimalabstände das Werkzeug in eine hierdurch definierte Arbeitsposition an das Werkstück bewegt wird.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung weiter eine gattungsgemäße Vorrichtung vor, mit Sensoren zur Vermessung von Messpunkten auf einer Konturlinie des Werkstücks, mit einer Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung jeweils des Abstandes von erfassten Messpunkten zu der entsprechenden Konturlinie in CAD-Daten des Werkstücks zur Minimierung der so bestimmten Abstände und mit einer Steuereinrichtung zum Verfahren des Werkzeugs in eine so berechnete Arbeitsposition mit vorgegebenen Toleranzen unterschreitenden Abständen von Messpunkten zu korrigierten Punkten der aus CAD-Daten berechneten Konturlinie des Werkstücks.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zum Einsetzen einer Scheibe in ein Kraftfahrzeug nach Erreichen vorgegebener Minimalabstände das Werkstück in der hierdurch definierten Relativposition zur Aufnahmeeinrichtung von dieser ergriffen und in das Fahrzeug eingesetzt wird, wobei insbesondere nach Messung von Messpunkten der Konturlinie der Scheibe korrespondierende Punkte der CAD-Daten der Scheibe bestimmt werden, eine Transformation bestimmt wird, die die Messpunkte auf die korrespondierenden Punkte der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S und R minimiert und die Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T inverse Transformation T^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe korrigiert wird bzw. in vorrichtungsmäßiger Ausgestaltung, dass die Steuereinrichtung zum Verfahren einer als Aufnahmeeinrichtung für eine Scheibe ausgebildeten Werkzeugs in eine Aufnahmeposition zum Aufnehmen als Arbeitsposition ausgebildet ist, wobei insbe sondere die Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen von Messpunkten der Konturlinie der Scheibe korrespondierenden Punkten R der CAD-Daten der Scheibe und einer Transformation T, die die gemessenen Punkte S korrespondierenden Punkte R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S und R minimiert und die Steuereinrichtung zum Korrigieren der Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T inverse Transformation T^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe ausgebildet sind. Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Einsetzen einer Scheibe in ein Kraftfahrzeug als Werkstück, bei dem eine Scheibe von einer Aufnahmeeinrichtung an einem Roboterarm eines Roboters mit definiertem TCP ergriffen ist, nach Erreichen vorgegebener Minimalabstände die Scheibe in der Einbauposition hierdurch definierten Relativposition zur Aufnahmeöffnung in diese mittels der Aufnahmeeinrichtung eingesetzt wird, wobei insbesondere nach Erfassung von Messpunkten S' der Konturlinie der Umrandung korrespondierende Punkte R' der CAD-Daten der Umrandung oder R der Scheibe bestimmt werden, eine Transformation T' bestimmt wird, die die Messpunkte S auf die korrespondierenden Punkte R' oder R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S' und R' minimiert und die Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T' inverse Transformation T'^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe korrigiert wird.
Vorrichtungsmäßig ist hierzu vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zum Verfahren einer eine Scheibe tragenden Aufnahmeeinrichtung in eine die Scheibe in die Öffnung der Karosserie einzusetzende Arbeitsposition ausgebildet ist, wobei insbesondere die Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen von Messpunkten S der Konturlinie der Umrandung korrespondierenden Punkten R der CAD-Daten der Umrandung und der Öffnung einer Transformation T, die die gemessenen Punkte S korrespondierenden Punkte R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S und R minimiert und die Steuereinrichtung zum Korrigieren der Position der Aufnahmeeinrichtung mit Scheibe um die zur Transformation T inverse Transformation T^–1 vor dem Einsetzen der Scheibe in die Öffnung ausgebildet ist.
Es wird also insbesondere ein iterativer Algorithmus verwendet, um gemessene Sensorpunkte an die vorgegebene CAD-Konturlinie anzunäheren. Bei jedem Iterationsschritt werden wieder neue Punktkorrespondenzen gesucht und gefunden. Die gewonnenen Korrekturwerte werden automatisch in die Steuerung des Roboters übertragen und gegebenenfalls jeweils dessen (Vor-)Position entsprechend korrigiert bzw. angepasst.
(Punkt)Korrespondenz zwischen Sensorwerten und CAD-Werten bedeutet, dass die ermittelten Sensorwerte mit den Werten aus der CAD-Referenzkontur prinzipiell übereinstimmen können (Vorr. Keine Geometrieabweichung Soll-Ist). Zusätzlich kann das Verfahren auch angewendet werden, falls es nicht möglich sein sollte, die Sensorpunktekontur aus dem CAD-Modell zu extrahieren (d. h. der durch den Sensor eindeutig ermittelbare Sensorwert ist aus dem CAD-System nicht zu extrahieren) oder umgekehrt. Prinzipiell kann jedoch eine beliebige CAD-Referenzkontur herangezogen werden, sofern diese sich eindeutig in die optimale Sensorposition überführen (abbilden) lässt.
Die Erfindung sieht dabei insbesondere einen Roboter in Form eines automatisch gesteuerten, frei programmierbaren Mehrzweck-Manipulators vor, der in drei oder mehr Achsen programmierbar ist. Es handelt sich hierbei um einen Industrieroboter, der vorzugsweise als Gelenkroboter ausgebildet ist. Die Abkürzung TCP bezeichnet den sogenannten Tool-Center-Point, einen gedachten Referenzpunkt mit zugehörigem Referenzkoordinatensystem am vom Roboter getragenen Werkzeug, hier der Aufnahmevorrichtung für die Scheibe.
Die Erfindung ermöglicht die Berücksichtigung von Fertigungs- und Positioniertoleranzen bei Aufnahme und Verbau der Scheibe, ohne vorherige Kenntnis der exakten Aufnahme- und Einbauposition, da erfindungsgemäß mit Hilfe von durch Sensoren erfasster Sensordaten (Messpunkten), die in ein gemeinsames Bezugssystem zum TCP gebracht werden, ausgehend von einer anfänglichen vorgegebenen Näherungsposition, jeweils eine korrekte Roboterposition zur Aufnahme der Scheibe und/oder zum Einbau in die Karosserie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gefunden wird.
Durch die Erfindung wird insbesondere erreicht, dass eine (Heck-)Scheibe so in die Karosserie eingebaut werden kann, dass die Abweichungen zu den geforderten Abständen vom Scheibenrand zur Karosserie bzw. der Umrandung der Scheibenöffnung in der Karosserie minimiert werden.
Die Sensoren können in fester Zuordnung zum TCP am Werkzeug bzw. Roboterarm oder aber stationär, also in fester Zuordnung zum Sockel des Roboters angeordnet sein.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass, einzelne erfasste Punkte priorisiert werden und/oder Minimierungen von Abständen mit unterschiedlichen Gewichten versehen werden, insbesondere gemäß
mit di = mind(Si, R) (2)wobei S_i die am Werkstück gemessenen Messpunkte, R zugehörige CAD-Daten auf der CAD-Konturlinie des Werkstücks, D_res der gewichtete Gesamtabstand aller Messpunkte S_i von den entsprechenden Punkten R der CAD-Daten und g_i ∊ [0, 1] einen Gewichtungsfaktor für jeden Messpunkt S_i angeben. Hierdurch können einzelne Abstände an besonders auffälligen Stellen stärker minimiert werden und die Abstände daher besser angeglichen werden als an weniger auffälligen Stellen. Gegebenenfalls kann auch ein beliebiger Offset für das Aufnehmen und das Einbauen der Scheibe definiert werden. Ein Offset kann dazu genutzt werden eine bewusste oder prozessbedingte Abweichung von der Soll-Position zu erreichen oder aber auch zum Ausgleich von systematischen Fehlern, die sich beispielsweise aus Kalibrierfehlern (Sensorlage oder TCP-Koordinatensystem) ergeben.
Durch die Erfindung wird die Qualitätsgüte beim Einbau der Scheibe erhöht, und eine manuelle Nacharbeit beim Heckscheibeneinbau (Feinjustage) entfällt. Die Werte der automatisierten Qualitätsmessung, wie die Toleranzen von Scheibe und Karosserie, können in einer Datenbank gespeichert und dokumentiert werden. Wesentlich ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit CAD-Modellen bzw. -Daten von Scheibe und Karosserie als Referenz arbeitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht dabei im Gegensatz zum Stande der Technik, bei dem von einer exakten Positionierung der Scheibe ausgegangen wird (die nicht gegeben ist) ausdrücklich von dem Vorhandensein von Toleranzen hinsichtlich Fertigung und Positionierung aus und gleicht diese aus. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine gute Korrespondenz zwischen Sensorwerten und CAD-Referenzobjekt hergestellt.
Zur Erhöhung der Genauigkeit, wodurch akzeptierbare Toleranzen reduziert werden können, kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Punkte auf der Konturlinie der Scheibe und/oder der Umrandung dreidimensional durch die Sensoren erfasst werden, wobei dabei insbesondere von verschiedenen Sensoren von verschiedenen Orten aufgenommene Messpunkte in einem einzigen gemeinsamen Koordinatensystem, vorzugsweise dem des TCP, weiterverarbeitet werden.
Die zum Einsatz gelangenden Sensoren können derart ausgebildet sein, dass sie die Messpunkte an den realen Objekten (Scheibe, Umrandung der Öffnung an der Karosserie) mittels des Lichtschnittverfahrens erfassen können, wobei die Sensoren insbesondere als Laserscanner ausgebildet sind. Alternativ kann mittels Lichtlaufzeitverfahren gearbeitet werden. Als alternative Sensoren sind Ultraschallsensoren, Lichtlaufzeitsensoren oder Stereokamerasysteme einsetzbar.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein Messen von Messpunkten am realen Werkstück, einer Minimierung von Abständen zu entsprechenden Punkten der CAD-Daten und anschließend eine Korrektur der Position der Aufnahmeeinrichtung relativ zur aufzunehmenden zum Werkstück, nämlich der Scheibe bzw. der mit der Scheibe versehenen Aufnahmeeinrichtung relativ zur Öffnung an der Karosserie. Während die vorgegebenen Toleranzen gegebenenfalls schon nach einem entsprechenden Verfahrensdurchgang erreicht werden können, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die oben genannten erfindungsgemäßen Schrittfolgen gegebenenfalls mehrfach durchgeführt werden, bis die entsprechenden Toleranzwerte erreicht oder unterschritten werden.
In konkreter Ausbildung der erfindungsgemäßen Verfahren kann dabei vorgesehen sein, dass nach Messung von Messpunkten S der Konturlinie der Scheibe korrespondierende Punkte R der CAD-Daten der Scheibe bestimmt werden, eine Transformation T bestimmt wird, die die Messpunkte S auf die korrespondierenden Punkte R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S und R minimiert und die Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T inverse Transformation T^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe korrigiert wird bzw. dass nach Erfassung von Messpunkten S' der Konturlinie der Umrandung korrespondierende Punkte R' der CAD-Daten der Umrandung oder R der Scheibe bestimmt werden, eine Transformation T' bestimmt wird, die die Messpunkte S auf die korrespondierenden Punkte R' oder R der CAD-Daten in der Einbauposition anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S' und R' minimiert und die Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T' inverse Transformation T'^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe korrigiert wird.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kleberaupe vor oder nach Ermitteln der Position der Scheibe an der Karosserie aufgebracht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Iterationsverfahren muss pro Iterationsschritt jeweils eine Messung samt Messauswertung, die Berechnung des Korrekturwertes und das Bewegen/Verfahren des Roboters um den Korrekturwert durchgeführt werden. Dies erfordert eine gewisse Zeit. Sind zum Erzielen einer gewissen Güte z. B. fünf oder mehr Schritte erforderlich, so kann ein Schnellkleber in dieser Zeit eventuell schon mit der Aushärtung beginnen. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, die optimale Roboterposition beim Verbau der Scheibe vor dem Klebeauftrag zu ermitteln, so dass die Scheibe mit Kleber direkt in ihre Einbauposition verfahren werden kann.
Beim Fügen der Scheibe auf die Karosse treten aufgrund der Adhäsion des Klebers entsprechende Kräfte zwischen Greifer (Vakuumsaugern) und Scheibe als auch zwischen Scheibe und Karosse auf. Die Karosse könnte durch die auftretenden Kräfte ihre Position verändern. Die Güte würde sich zu einem Zeitpunkt x spontan verschlechtern. Das Verfahren würde dies sofort erkennen (Abstände werden größer) und entsprechend entgegen regeln, indem das Iterationsverfahren (Messverfahren) diese Positionsverschiebung durch kontinuierliches Auswerten und Prüfen der Messwerte die optimale Position wieder einstellen würde.
Falls sich beim Fügen die Position der Scheibe im Greifer verändern würde, so könnte diese Verschiebung von den Sensoren gemessen und beim Einbau in die Karosserie berücksichtigt werden, indem einzelne Korrekturwerte bestimmt und durch betragsmäßig korrekte Verrechnung der resultierende Korrekturwert bestimmt und an den Roboter übertragen wird. Hierzu kann der Messmodus der Sensoren zwischen Scheibe und Karosserie ausgebildet werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
1a eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit an der Aufnahmeeinrichtung angeordneten Sen soren zum Aufnehmen einer Scheibe;
1b eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit an der Aufnahmeeinrichtung angeordneten Sensoren zum Einsetzen der Scheibe in einer Karosserie;
2a eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit stationären Sensoren zum Aufnehmen einer Scheibe;
2b die gleiche erfindungsgemäße Vorrichtung der 2a mit stationären Sensoren zum Einsetzen der Scheiben in einer Karosserie;
3a–c Darstellungen von Soll- und aufgrund von Messpunkten erfasster Ausgangs-Istlage einer Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs (3a), der Darstellung von Korrekturschritten (3b) und von Soll- und Istlage nach einem ersten Korrekturschritt (3c);
4 die Lage einer in der Heckscheibenöffnung einer Karosserie einzusetzenden von einem Roboter gehaltenen Heckscheibe die zugehörigen Soll- und Istlagen der Umrandung der Öffnung; und
5 einen vollständigen Verfahrensablauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1a bis 2b zeigen erfindungsgemäße Vorrichtungen mit einem Roboter 1 in Form eines Gelenkroboters mit einem Roboterarm 2, an dessen freien Ende sich eine Roboterhand 3 befindet. An der Roboterhand 3 ist ein Werkzeug 4 befestigt. Dessen TCP ist mit 5 bezeichnet. Das Werkzeug weist eine Traverse 6 auf, an der sich Saugnäpfe 7 als Aufnahmeeinrichtung für eine Heckscheibe 8 befinden. Weiterhin sind an der Traverse 6 Sensoren 9 angebracht, mit denen die Position der Scheibe 8 und später die der Karosserie 12 erfasst werden kann. Diese liegt zur Aufnahme durch eine Aufnahmeeinrichtung 7 auf einer Aufnahmestation 10 auf.
Zur Positionsbestimmung und Steuerung des Roboters 1 ist dieser mit einer Bestimmungs- und Steuerungseinrichtung 11 verbunden.
Die 1b zeigt den Einsatz einer in Roboter 1 von der Aufnahmestation 10 aufgenommenen Scheibe 8 in der Öffnung, während bei der Ausgestaltung der 1a, 1b die Sensoren 9 an der Traverse 6 und damit in fest vorgegebener Relation zum TCP 5 angeordnet sind, sieht die Ausgestaltung der 2a, 2b stationäre oder ortsfeste Sensoren 9.1, 9.2 vor, die also eine feste ordentliche Beziehung zum Sockel des Roboters aufweisen.
Die Sensoren 9.1 sind dabei an der Aufnahmestation 10, die Sensoren 9.2 in der Einsetzposition der Karosserie 12 angeordnet.
Zum Einsatz einer auf der Aufnahmestation 10 bereitgestellten Scheibe verfährt der Roboter 1 zunächst die Aufnahmeeinrichtung 7 in eine Vorposition vor der Scheibe 8. Anschließend erfolgt aufgrund der Messung der Position der Scheibe mittels der Sensoren 9 eine Korrektur der Position der Aufnahmeeinrichtung 7 vor der Scheibe 8 und, wenn eine erwünschte Position mit hinreichender Genauigkeit erreicht ist, die Aufnahme der Scheibe 8 mittels des Roboters (1a, 2a) und anschließend die Überführung der Scheibe zu der bereitgestellten Karosserie 12 eines Kraftfahrzeugs. Auch hier verfährt der Roboter 1 die nun die Scheibe 8 tragende Aufnahmeeinrichtung 7 in eine Vorposition vor, die von einem Rahmen oder einer Umrandung 13 umrandete Öffnung 14 der Karosserie 12, in die die Scheibe 8 einzusetzen ist. Anschließend wird die genaue Position der Karosserie 12 und damit der Öffnung 14 mittels der Sensoren 9.1 erfasst und aufgrund dieser Erfassung erfolgt eine Korrektur der Einsetzposition von Roboter 1 bzw. Scheibe 8. Ist die gewünschte Position mit hinreichender Genauigkeit erreicht, wird die Scheibe nach Kleberaupenauftrag, in die Karosserie 12 eingebaut (2a, 2b). Das genaue erfindungsgemäße Verfahren zur Positionskorrektur wird im folgenden unter Bezug auf die weiteren Figuren erläutert.
In der 3 ist in durchgezogener Linie die Ist-Position einer Heckscheibe 8 relativ zu einem vor diesem in einer vorgegebenen Vorposition positionierten Roboter zusammen mit einer Soll-Position 15 der Heckscheibe, in der der Roboter die Heckscheibe in seiner Vorposition erwartet, dargestellt. Die erwartete Position der Scheibe (gestrichelte Linie 15) und die tatsächliche Position der Scheibe 8 (durchgezogene Linie) weichen also voneinander ab. Durch die Sensoren werden eine endliche Anzahl von Messpunkten S entlang beispielsweise den Scheibenrand erfasst. Die erfassten Sensorpunkte befinden sich irgendwo auf der Konturlinie der Scheibe, können aber für sich gesehen nicht exakt einem genauen Punkt dieser bzw. der Konturlinie zugeordnet werden. Wie in 2b dargestellt ist, werden für die Messpunkte S_i, i = 1 ... N jeweils der minimale Abstand zur Referenz-Konturlinie, repräsentiert durch eine Punktmenge R, berechnet gemäß
bzw. ein minimaler Gesamtabstand gemäß
Die Abstandswerte werden iterativ durch einen Algorithmus minimiert, wodurch sich eine Verbesserung der Soll-Scheibenposition zur tatsächlichen Ist-Position ergibt, wie sich in 3c zeigt.
Das Verfahren kann so lange wiederholt werden, bis die berechneten Abstände der Messpunkte auf der Konturlinie der Scheibe (Ist-Position) relativ zur Soll-Position vorgegebene Toleranzwerte unterschreitet, wie sie oben bestimmt wurden. Der Roboter 1 bzw. die von ihm getragene Aufnahmeeinrichtung 7 für die Scheibe 8 wird in die entsprechende Position verfahren und nimmt in dieser Position die Scheibe auf.
Entsprechendes gilt für den Einsatz der Scheibe 8 in der zugehörigen Öffnung 14 (hier Heckscheibenöffnung) der Karosserie 12 eines Kraftfahrzeuges, wie dies anhand von 4 verdeutlicht wird.
Hier wird die Soll-Konturlinie 17 (gepunktet dargestellt) der Umrandung der Öffnung zur Aufnahme der Scheibe durch die vom Roboter 1 bzw. genauer dessen Aufnahmeeinrichtung 7 gehaltene Scheibe 8 bestimmt. Der Roboter verfährt mit der Scheibe 8 wiederum in eine vorgegebene Position vor der Öffnung 14 der Karosserie des Fahrzeugs mit dessen Ist- Konturlinie 16 der Umrandung, die letztere von der Soll-Konturlinie 17 abweicht. In gleicher Weise werden wiederum Messpunkte bestimmt und deren Abstand mit Soll-Messpunkten verglichen sowie eine Minimierung bis zu vorgegebenen Toleranzen durchgeführt, woraufhin die Scheibe dann in der Karosserie eingesetzt bzw. verbaut wird.
Vor dem Einsetzen der Scheibe 8 in die Karosserie wird eine Kleberaupe am Umfangsrand der Scheibe und/oder im Bereich der Umrandung 13 der Öffnung erzeugt, wobei dies nach Durchführung aller Berechnungen oder aber schon vorher erfolgen kann.
Der gesamte Verfahrensablauf ist im Einzelnen in der 5 dargestellt.
Zunächst wird zur Aufnahme der Scheibe 8 der Roboter 1 bzw. genauer dessen Aufnahmeeinrichtung für die Scheibe 8 in eine Vorposition A vor der Scheibe geführt. Anschließend wird die Position der Scheibe relativ zum Roboter gemessen (Schritt B) und es werden in der vorstehenden Weise die Korrekturwerte berechnet (Schritt C).
Anschließend erfolgt eine Abfrage, ob die berechneten Korrekturwerte zu Abständen zwischen Ist- und Soll-Positionen der Punkte führen, die unterhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen (Schritt D). Ist dies nicht der Fall, so wird die Vorposition des Roboters korrigiert (Schritt E) und erfolgt ein erneutes Messen, Berechnen von Korrekturwerten sowie die Toleranzabfrage (Schritte B bis D).
Sind die sich ergebenden Toleranzen klein genug, erfolgt nach dem Aufnehmen der Scheibe ein erneutes Vermessen der Scheibe und es wird (Schritt H) überprüft, ob die Scheibe korrekt aufgenommen wurde (Schritt I).
Anschließend verfährt der Roboter mit der aufgenommenen Scheibe in eine Vorposition vor der Aufnahmeöffnung der Karosserie des Kraftfahrzeugs, in welche die Scheibe einzubauen ist (Schritt J).
Hier erfolgt in gleicher Weise ein Vermessen der Aufnahmeöffnung bzw. Punkten auf einer Konturlinie der Umrandung derselben (Schritt K).
Anschließend werden wiederum die erforderlichen Korrekturwerte zwischen Ist- und Soll-Position berechnet (Schritt L) und es erfolgt die Abfrage, ob aufgrund der berechneten Korrektur nach Durchführung der Korrektur die Differenzen zwischen Ist- und Soll-Werten unterhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen (Schritt M). Ist dies nicht der Fall, so wird die Vorposition korrigiert (Schritt N) und die Mess-, Korrektur- und Toleranz-Überprüfungsschritte K bis M werden erneut durchgeführt, bis die Abweichung zwischen Ist- und Soll-Werten unterhalb vorgegebener Toleranzen liegen. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird die Scheibe oder die Umrandung der Karosserie mit einer Kleberaupe versehen (der Verfahrensschritt ist nicht explizit dargestellt), wobei das Versehen mit der Kleberaupe auch auf der Scheibe schon nach dem Aufnehmen derselben durch den Roboter vor Durchführung der Messungen und Korrekturberechnungen erfolgen kann. Schließlich erfolgt der Einbau der Scheibe in der Öffnung der Karosserie des Kraftfahrzeuges (Schritt P).

1: Roboter
2: Ist-Position
3: Soll-Konturlinie
4: Aufnahmeeinrichtung
5: Ist-Konturlinie
6: Traverse
7: Saugnäpfe
8: Heckscheibe
9: Sensoren
9.1: Sensoren
9.2: Sensoren
10: Aufnahmestation
11: Bestimmungs- und Steuereinrichtung
12: Karosserie
13: Umrandung
14: Öffnung
15: Soll-Position
A: Vorposition
R: Punktmenge
S: Messpunkte

Claims

Verfahren zum Positionieren eines an einem Roboterarm eines Roboters angeordneten Werkzeugs, wie einer Aufnahmeeinrichtung für eine Scheibe, an einem Werkstück, wie einer Scheibe oder eines eine solche aufnehmenden Rahmens der Öffnung eines Kraftfahrzeugs, wobei a. das Werkzeug mit definiertem TCP in der Nähe des Werkstücks in eine erste Vorposition vor das Werkstück bewegt wird, b. mindestens einmal ba. Punkte auf mindestens einer Konturlinie des Werkstücks durch Sensoren als Messpunkte S erfasst werden, bb. jeweils der Abstand von Messpunkten zu der entsprechenden Konturlinie in CAD-Daten des Werkstücks bestimmt wird, bc. eine Minimierung der so bestimmten Abstände vorgenommen wird, und c. nach Erreichen vorgegebener Minimalabstände das Werkzeug in eine hierdurch definierte Arbeitsposition an das Werkstück bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einsetzen einer Scheibe in ein Kraftfahrzeug c1. nach Erreichen vorgegebener Minimalabstände das Werkstück in der hierdurch definierten Relativposition zur Aufnahmeeinrichtung von dieser ergriffen und d. in das Fahrzeug eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ca. nach Messung von Messpunkten S der Konturlinie der Scheibe korrespondierende Punkte R der CAD-Daten der Scheibe bestimmt werden, cb. eine Transformation T bestimmt wird, die die Messpunkte S auf die korrespondierenden Punkte R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S und R minimiert und cc. die Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T inverse Transformation T^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einsetzen einer Scheibe in ein Kraftfahrzeug als Werkstück, bei dem eine Scheibe von einer Aufnahmeeinrichtung an einem Roboterarm eines Roboters mit definiertem TCP ergriffen ist, c2. nach Erreichen vorgegebener Minimalabstände die Scheibe in der hierdurch definierten Relativposition zur Aufnahmeöffnung in diese mittels der Aufnahmeeinrichtung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass da. nach Erfassung von Messpunkten S' der Konturlinie der Umrandung korrespondierende Punkte R' der CAD-Daten der Umrandung oder R der Scheibe bestimmt werden, db. eine Transformation T' bestimmt wird, die die Messpunkte S auf die korrespondierenden Punkte R' oder R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S' und R' minimiert und dc. die Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T' inverse Transformation T'^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte ba. bis bc. und/oder ca. bis cc. oder da. bis dc. iterativ mehrmals durchgeführt werden, insbesondere bis vorgegebene Minimalabstände von Messpunkten zur entsprechenden Konturlinie erreicht und/oder unterschritten sind oder eine gewünschte Güte der Iteration derart erreicht ist, dass die Änderung der Abstände oder die Änderung des Gesamtabstands zwischen zwei Iterationsschritten kleiner als ein frei festgelegter Grenzwert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte durch die Sensoren mittels Lichtschnittverfahren oder Lichtlaufzeitverfahren aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte durch Laserscanner, Ultraschallsensoren, Lichtlaufzeitsensoren oder Stereokamerasysteme als Sensoren aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte auf der Konturlinie der Scheibe und/oder der Umrandung dreidimensional durch die Sensoren erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne erfasste Punkte priorisiert werden und/oder Minimierungen von Abständen mit unterschiedlichen Gewichten versehen werden, insbesondere gemäß
mit
wobei S_i die am Werkstück gemessenen Messpunkte, R zugehörige CAD-Daten auf der CAD-Konturlinie des Werkstücks, D_res der gewichtete Gesamtabstand aller Messpunkte S_i von den entsprechenden Punkten R der CAD-Daten und g_i ∊ [0, 1] einen Gewichtungsfaktor für jeden Messpunkt S_i angeben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch verschiedene Sensoren von verschiedenen Orten aufgenommene Messpunkte in einem einzigen gemeinsamen Koordinatensystem, vorzugsweise dem des TCP, weiterverarbeitet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in fester Relation zum TCP und/oder stationär angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen der Scheibe auf diese und/oder die Umrandung eine Kleberaupe aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleberaupe vor oder nach Ermitteln der Position der Scheibe an der Karosserie aufgebracht wird.
Vorrichtung zum Positionieren eines an einem Roboterarm eines Roboters angeordneten Werkzeugs, wie einer Aufnahmeeinrichtung, an einem Werkstück, wie einer Scheibe oder eines eine solche aufnehmenden Rahmens der Öffnung eines Kraftfahrzeugs, – mit Sensoren zur Vermessung von Messpunkten auf einer Konturlinie des Werkstücks, – mit einer Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung jeweils des Abstandes von erfassten Messpunkten zu der entsprechenden Konturlinie in CAD-Daten des Werkstücks zur Minimierung der so bestimmten Ab stände und – mit einer Steuereinrichtung zum Verfahren des Werkzeugs in eine so berechnete Arbeitsposition mit vorgegebenen Toleranzen unterschreitenden Abständen von Messpunkten S zu korrigierten Punkten der aus CAD-Daten berechneten Konturlinie des Werkstücks (1').
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zum Verfahren einer als Aufnahmeeinrichtung für eine Scheibe ausgebildeten Werkzeugs in eine Aufnahmeposition zum Aufnehmen als Arbeitsposition ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen von Messpunkten S der Konturlinie der Scheibe (8) korrespondierenden Punkten R der CAD-Daten der Scheibe und einer Transformation T, die die gemessenen Punkte S korrespondierenden Punkte R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S und R minimiert und die Steuereinrichtung zum Korrigieren der Position der Aufnahmeeinrichtung um die zur Transformation T inverse Transformation T^–1 vor dem Ergreifen der Scheibe (8) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zum Verfahren einer eine Scheibe tragenden Aufnahmeeinrichtung in eine die Scheibe in die Öffnung der Karosserie einzusetzende Arbeitsposition ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen von Mess punkten S der Konturlinie der Umrandung korrespondierenden Punkten R der CAD-Daten der Umrandung und der Öffnung einer Transformation T, die die gemessenen Punkte S korrespondierenden Punkte R der CAD-Daten anwendet und die Distanz korrespondierender Punkte S und R minimiert und die Steuereinrichtung zum Korrigieren der Position der Aufnahmeeinrichtung mit Scheibe um die zur Transformation T inverse Transformation T^–1 vor dem Einsetzen der Scheibe (8) in die Öffnung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an dem Werkzeug, dem TCP fest zugeordnet oder stationär angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Messung der Messpunkte mittels des Lichtschnittverfahrens ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren als Laserscanner ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur dreidimensionalen Erfassung der Punkte auf der Konturlinie der Scheibe (8) und/oder der Umrandung (5) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aufbringen einer Kleberaupe vor dem Einsetzen der Scheibe (8) auf diese und/oder die Umrandung (13).