DE102011111758A1

DE102011111758A1 - Steuerverfahren für einen Roboter

Info

Publication number: DE102011111758A1
Application number: DE102011111758A
Authority: DE
Inventors: Alexander Meissner; Björn Schoell; Jens Häcker; Viktor Schretling; Thomas Hezel
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2013-02-28
Also published as: JP6236388B2; MY167478A; EP2747956A1; JP2014524359A; WO2013026554A1; US20150057798A1; CN103826807B; CN103826807A; US9937619B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für einen Roboter (1) mit mehreren beweglichen Roboterachsen (2, 4, 6), insbesondere für einen Lackierroboter (1) oder einen Handhabungsroboter, mit den Schritten: (a) Vorgabe einer Roboterbahn durch mehrere Bahnpunkte, die von einem Referenzpunkt des Roboters (1) durchfahren werden sollen, (b) Ansteuerung von Antriebsmotoren der einzelnen Roboterachsen (2, 4, 6) entsprechend der vorgegebenen Roboterbahn, so dass der Referenzpunkt des Roboters (1) die vorgegebene Roboterbahn durchfährt, (c) Vorausberechnung der mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2), die innerhalb mindestens einer der Roboterachsen (2, 4, 6) zwischen zwei Gelenken beim Durchfahren der bevorstehenden Roboterbahn auftritt, sowie (d) Anpassung der Ansteuerung der Antriebsmotoren der Roboterachsen (2, 4, 6) in Abhängigkeit von der vorausberechneten mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2), so dass eine mechanische Überlastung vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für einen Roboter, insbesondere für einen Lackierroboter oder einen Handhabungsroboter in einer Lackieranlage.
Aus EP 2 146 825 A1 ist ein derartiges Steuerverfahren für einen Roboter bekannt, das bei der Bewegungsteuerung Bahnkorrekturwerte für den Roboter berücksichtigt, damit die von dem Roboter abgefahrene Roboterbahn möglichst genau mit einer vorgegebenen Roboterbahn übereinstimmt. Die Bahnkorrekturwerte berücksichtigen hierbei Elastizität, Reibung bzw. Trägheit des Roboters entsprechend einem dynamischen Robotermodell. Hierbei wird von starren Roboterachsen ausgegangen, so dass die Abweichungen zwischen der tatsächlichen Roboterbahn und der vorgegebenen Roboterbahn lediglich von mechanischen Nachgiebigkeiten in den einzelnen Gelenken zwischen den benachbarten Roboterachsen herrühren. Dieses bekannte Steuerverfahren für einen Roboter berücksichtigt also in keiner Weise die mechanischen Belastungen, die innerhalb der einzelnen Roboterachsen auftreten, beispielsweise innerhalb eines Roboterarms zwischen zwei benachbarten Gelenken. Darüber hinaus berücksichtigt dieses bekannte Steuerverfahren lediglich solche Drehmomente, die parallel zur Schwenkebene des jeweiligen Gelenks ausgerichtet sind, d. h Drehmomente, die parallel zur Schwenkachse des jeweiligen Gelenks ausgerichtet sind. Beispielsweise treten bei einer Roboterbewegung auch Drehmomente quer zur Bewegungsrichtung auf, die unter Umständen zu einer mechanischen Überlastung führen können und bisher durch die bekannten Steuerverfahren nicht berücksichtigt wurden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Steuerverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Steuerverfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Die Erfindung beruht auf der technischen Erkenntnis, dass im Betrieb eines mehrachsigen Roboters nicht nur die mechanische Belastung in der jeweiligen Schwenkebene zu beachten ist, sondern auch die mechanische Belastung, die quer zu der jeweiligen Schwenkebene auftritt.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer quer zur Schwenkebene ausgerichteten mechanischen Belastung umfasst insbesondere ein Kippmoment, das rechtwinklig zur Schwenkachse des jeweiligen Gelenks und damit parallel zur Schwenkebene ausgerichtet ist. Darüber hinaus umfasst dieser Begriff aber auch Kräfte, die rechtwinklig zur Schwenkachse ausgerichtet sind.
Die Erfindung umfasst deshalb die allgemeine technische Lehre, im Betrieb eines Roboters die mechanische Belastung vorauszuberechnen, die beim Durchfahren der bevorstehenden Roboterbahn auftritt. Hierbei ist zu bemerken, dass diese mechanische Belastung vorausberechnet wird, d. h. die mechanische Belastung wird nicht für den aktuellen Bewegungszustand gemessen oder modelliert, sondern aufgrund der vorgegebenen Roboterbahn und der bekannten mechanischen Eigenschaften (z. B. Geometrie, Massenverteilung, etc.) des Roboters für den bevorstehenden Abschnitt der Roboterbahn vorausberechnet, damit noch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, wenn die vorausberechnete mechanische Belastung zu hoch ist.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Ansteuerung der Antriebsmotoren der einzelnen Roboterachsen in Abhängigkeit von der vorausgerechneten mechanischen Belastung angepasst wird, so dass eine mechanische Überlastung vermieden wird.
Eine Möglichkeit der Anpassung der Ansteuerung der Antriebsmotoren der Roboterachsen zur Vermeidung einer mechanischen Überlastung besteht darin, dass die Bewegung des Roboters abgebremst bzw. verlangsamt wird, um die ansonsten auftretende mechanische Überlastung zu vermeiden.
Eine andere Möglichkeit der Anpassung der Ansteuerung der Antriebsmotoren der Roboterachsen zur Vermeidung einer mechanischen Überlastung besteht darin, dass die vorgegebene Roboterbahn geringfügig angepasst wird.
Vorzugsweise wird die vorausberechnete mechanische Belastung mit mindestens einem Grenzwert verglichen, um eine bevorstehende mechanische Überlastung zu erkennen, wobei dann ggf. die vorstehend beispielhaft genannten Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden bestimmte Kräfte und/oder Drehmomente ausgewählt, die innerhalb der Roboterachsen oder in einem Gelenk wirken. Bei der Überwachung der mechanischen Belastung werden also vorzugsweise nicht sämtliche Kräfte und Drehmomente überwacht, die innerhalb der einzelnen Roboterachsen oder in einem Gelenk auftreten. Beispielsweise können bestimmte Roboterachsen für eine Überwachung ausgewählt werden. Darüber hinaus können innerhalb der ausgewählten Roboterachsen oder in einem Gelenk bestimmte mechanische Belastungen für eine Überwachung ausgewählt werden, wie beispielsweise Drehmomente oder Kräfte quer zur Bewegungsrichtung.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die einzelnen Roboterachsen jeweils innerhalb einer bestimmten Schwenkebene relativ zueinander schwenkbar, wobei die mechanische Belastung innerhalb der einzelnen Roboterachsen quer zu der jeweiligen Schwenkebene vorausberechnet wird, was aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist. So wird bei der Vorausberechnung der mechanischen Belastung vorzugsweise ein Kippmoment berechnet, das innerhalb der jeweiligen Roboterachse wirkt und rechtwinklig zur Schwenkachse der jeweiligen Roboterachse ausgerichtet ist.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Antriebsmotoren der einzelnen Roboterachsen vorzugsweise von Lagereglern angesteuert werden, die von einer zentralen Robotersteuerung Soll-Werte erhalten, wobei die Abfolge der vorgegebenen Soll-Werte die gewünschte Roboterbahn definiert. Diese Vorgabe der Soll-Werte durch die zentrale Robotersteuerung erfolgt vorzugsweise getaktet mit einem bestimmen Interpolatortakt. Die Erfindung sieht nun vorzugsweise vor, dass die Vorausberechnung der mechanischen Belastung und die ggf. erforderliche Einleitung von Gegenmaßnahmen ebenfalls getaktet in dem Interpolatortakt erfolgt. Weiterhin ist zu erwähnen, dass die mechanische Belastung mehrdimensional vorausberechnet werden kann, wobei im Rahmen der Vorausberechnung der mechanischen Belastung sowohl Drehmomente als auch Kräfte berechnet werden können.
Ferner besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass ein nahezu beliebiges Koordinatensystem festgelegt werden kann, dessen Koordinatenursprung innerhalb einer der Roboterachsen oder in einem Gelenk angeordnet ist und relativ zu der Roboterachse fixiert ist, so dass sich das Koordinatensystem mit der Roboterachse bewegt. Die im Rahmen der Erfindung vorausberechnete mechanische Belastung wird dann auf dieses virtuelle Koordinatensystem bezogen. Hierbei können bestimmte Kräfte und/oder Drehmomente ausgewählt werden, die in dem Koordinatensystem während der Bewegung des Roboters entstehen, wobei die mechanische Belastung durch die ausgewählten Kräfte und/oder Drehmomente repräsentiert wird.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht auf das vorstehend erwähnte erfindungsgemäße Steuerverfahren beschränkt ist, sondern auch eine Robotersteuerung umfasst, die so programmiert ist, dass sie das erfindungsgemäße Steuerverfahren ausführt.
Schließlich umfasst die Erfindung auch eine Roboteranlage mit mindestens einem mehrachsigen Roboter (z. B. Handhabungsroboter, Lackierroboter) und einer derartigen Robotersteuerung, die das erfindungsgemäße Steuerverfahren ausführt. Die Erfindung umfasst also auch Schutz für eine komplette Lackieranlage oder eine Lackierkabine in einer derartigen Lackieranlage.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht eines Lackierroboters, der entsprechend dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren angesteuert wird sowie
2 das erfindungsgemäße Steuerverfahren in Form eines Flussdiagramms.
1 zeigt einen an sich herkömmlichen Lackierroboter 1, der beispielsweise zur Lackierung von Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen in einer Lackieranlage eingesetzt werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Lackierroboter 1 eine Roboterbasis 2 auf, die um eine vertikale Drehachse 3 drehbar ist. Die Erfindung ist jedoch in ähnlicher Weise mit anderen Lackierrobotern realisierbar, deren Roboterbasis ortsfest angeordnet oder entlang einer Verfahrschiene linear verfahrbar ist.
An der Roboterbasis 2 ist ein proximaler Roboterarm 4 schwenkbar angebracht, wobei der Roboterarm 4 relativ zu der Roboterbasis 2 um eine horizontale Schwenkachse 5 schwenkbar ist.
An dem distalen Ende des proximalen Roboterarms 4 ist ein distaler Roboterarm 6 schwenkbar angebracht, wobei der distale Roboterarm relativ zu dem proximalen Roboterarm 4 um eine horizontale Schwenkachse 7 schwenkbar ist.
An dem distalen Ende des Roboterarms 6 ist eine mehrachsige Roboterhandachse 8 angebracht, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und einen ebenfalls herkömmlichen Rotationszerstäuber 9 hochbeweglich führt.
Der Lackierroboter 1 wird von einer Robotersteuerung 10 angesteuert, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Robotersteuerung 10 führt jedoch ein erfindungsgemäßes neuartiges Steuerverfahren aus, um im Betrieb des Lackierroboters 1 eine mechanische Überlastung des Lackierroboters 1 zu vermeiden. Hierbei berechnet die Robotersteuerung 10 mechanische Belastungen, die innerhalb der Roboterbasis 2, innerhalb des Roboterarms 4 oder innerhalb des Roboterarms 6 auftreten und bisher im Stand der Technik nicht berücksichtigt wurden. Vielmehr wurden bei den herkömmlichen Steuerverfahren allenfalls die mechanischen Belastungen in den Gelenken zwischen den benachbarten Roboterachsen berücksichtigt, da von starren Roboterachsen ausgegangen wurde.
Im Rahmen der Erfindung kann beispielsweise ein Koordinatensystem 11 festgelegt werden, das mit seinem Koordinatenursprung innerhalb des proximalen Roboterarms 4 liegt. Bei der Vorausberechnung der mechanischen Belastung können dann Kräfte Fx2, Fy2, Fz2 und Drehmomente Mx2, My2, Mz2 vorausberechnet werden, die in dem Koordinatensystem 11 während des Betriebs des Lackierroboters 1 auftreten werden.
Darüber hinaus zeigt die Zeichnung ein weiteres Koordinatensystem 12, das mit seinem Koordinatenursprung in dem Drehgelenk zwischen der Roboterbasis 2 und dem Untergrund liegt. In dem Koordinatensystem 12 treten ebenfalls mechanische Belastungen in Form von Kräften Fx1, Fy1, Fz1 und Drehmomenten Mx1, My1, Mz1 auf, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens ebenfalls berücksichtigt werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden beispielsweise die Kippmomente Mx1, My1 und die Kräfte Fx1, Fy2 überwacht, die rechtwinklig zu der Drehachse des Drehgelenks ausgerichtet sind.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 2 das erfindungsgemäße Steuerverfahren beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 wird zunächst ein Koordinatensystem vorgegeben, das mit seinem Koordinatenursprung innerhalb einer der Roboterachsen liegt und an der Roboterachse räumlich fixiert ist, so das sich das Koordinatensystem mit der Roboterachse mit bewegt. Beispielsweise kann es sich hierbei um das in 1 dargestellte Koordinatensystem 11 handeln.
In einem weiteren Schritt S2 werden dann diejenigen Kräfte und/oder Momente festgelegt, die in dem Koordinatensystem überwacht werden sollen. Beispielsweise kann es sich hierbei um das Drehmoment My2 und die Kraft Fx2 in dem Koordinatensystem 11 und um die Drehmomente Mx1 und My1 in dem Koordinatensystem 12 handeln.
In einem weiteren Schritt S3 wird dann eine Bahnkurve des Tool Center Point (TCP) als Folge von Bahnpunkten vorgegeben, wobei die einzelnen Bahnpunkte durch kartesische Raumkoordinaten definiert sind.
Während des eigentlichen Betriebs des Lackierroboters werden dann die einzelnen Lageregler der Roboterachsen durch die zentrale Robotersteuerung zum Abfahren der vorgegebenen Bahnkurve angesteuert, was dem Schritt S4 entspricht und an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Während des Abfahrens der vorgegebenen Bahnkurve werden dann in einem Schritt S5 die zu überwachenden Kräfte (z. B. die Drehmomente Mx1, My1, My2 und die Kraft Fx2) vorausberechnet, um eine bevorstehende mechanische Überlastung rechtzeitig erkennen zu können.
In einem Schritt S6 werden die vorausberechneten Kräfte und Momente dann mit zulässigen Grenzwerten verglichen.
In einem Schritt S7 wird dann überprüft, ob eine Grenzwertüberschreitung der mechanischen Belastung bevorsteht.
Falls dies der Fall ist, so werden in einem Schritt S8 Gegenmaßnahmen eingeleitet, die in diesem Ausführungsbeispiel darin bestehen, dass die Roboterbewegung abgebremst wird.
In einem Schritt S9 wird dann überprüft, ob das Bahnende erreicht ist oder ob die Roboterbewegung aus anderen Gründen angehalten wird. Andernfalls werden die Schritte S4–S9 in einer Schleife wiederholt.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: Lackierroboter
2: Roboterbasis
3: Drehachse der Roboterbasis
4: Proximaler Roboterarm
5: Schwenkachse
6: Distaler Roboterarm
7: Schwenkachse
8: Roboterhandachse
9: Rotationszerstäuber
10: Robotersteuerung
11: Koordinatensystem
12: Koordinatensystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2146825 A1 [0002]

Claims

Steuerverfahren für einen Roboter (1) mit mehreren beweglichen Roboterachsen (2, 4, 6), insbesondere für einen Lackierroboter (1) oder einen Handhabungsroboter, wobei die Roboterachsen (2, 4, 6) jeweils in einer bestimmten Schwenkebene schwenkbar sind, a) Vorgabe einer Roboterbahn durch mehrere Bahnpunkte, die von einem Referenzpunkt des Roboters (1) durchfahren werden sollen, b) Ansteuerung von Antriebsmotoren der einzelnen Roboterachsen (2, 4, 6) entsprechend der vorgegebenen Roboterbahn, so dass der Referenzpunkt des Roboters (1) die vorgegebene Roboterbahn durchfährt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: c) Vorausberechnung einer mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2), die beim Durchfahren der bevorstehenden Roboterbahn quer zu der Schwenkebene der jeweiligen Roboterachse (2, 4, 6) auftritt, d) Anpassung der Ansteuerung der Antriebsmotoren der Roboterachsen (2, 4, 6) in Abhängigkeit von der vorausberechneten mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2), so dass eine mechanische Überlastung vermieden wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorausberechnete mechanische Belastung innerhalb mindestens einer der Roboterachsen (2, 4, 6) zwischen zwei Gelenken auftritt.
Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorausberechnung der mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2) ein Kippmoment (My2) berechnet wird, das rechtwinklig zur Schwenkachse der jeweiligen Roboterachse (2, 4, 6) ausgerichtet ist.
Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vergleichen der vorausberechneten mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2) mit mindestens einem Grenzwert zur Erkennung einer bevorstehenden mechanischen Überlastung, b) Abbremsen der Bewegung des Referenzpunkts auf der bevorstehenden Roboterbahn, wenn eine bevorstehende mechanische Überlastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2) erkannt wird.
Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) dass die Antriebsmotoren der einzelnen Roboterachsen (2, 4, 6) jeweils von Lagereglern angesteuert werden, und b) dass die Lageregler Soll-Werte von einer zentralen Robotersteuerung (10) erhalten, und c) dass die zentrale Robotersteuerung (10) die Soll-Werte getaktet mit einem bestimmten Interpolatortakt an die Lageregler ausgibt, und d) dass die Vorausberechnung der mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2) ebenfalls getaktet in dem Interpolatortakt erfolgt.
Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die mechanische Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2) mehrdimensional vorausberechnet wird, b) dass bei der Vorausberechnung der mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2) sowohl Drehmomente (Mx1, My1, Mx2, My2, Mz2) als auch Kräfte (Fx1, Fy1, Fx2, Fy2, Fz2) berechnet werden.
Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Festlegung eines Koordinatensystems (11) mit einem Koordinatenursprung, der innerhalb einer der Roboterachsen (2, 4, 6) angeordnet ist und relativ zu der Roboterachse (2, 4, 6) fixiert ist, so dass sich das Koordinatensystem mit der Roboterachse (2, 4, 6) mitbewegt, b) Auswahl von bestimmten Kräften (Fx1, Fy1, Fx2, Fy2, Fz2) und/oder Drehmomenten (Mx1, My1, Mx2, My2, Mz2), die in dem Koordinatensystem (11) während der Bewegung des Roboters (1) entstehen, c) Ermitteln der mechanischen Belastung (My1, Mx1, Fx1, Fy1, Fz1, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2) aus den ausgewählten Kräften (Fx1, Fy1, Fx2, Fy2, Fz2) und/oder Drehmomenten (Mx1, My1, Mx2, My2, Mz2).
Robotersteuerung zur Ansteuerung eines Roboters (1) mit mehreren beweglichen Roboterachsen (2, 4, 6), insbesondere für einen Lackierroboter (1) oder einen Handhabungsroboter, dadurch gekennzeichnet, dass die Robotersteuerung (10) im Betrieb das Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
Roboteranlage mit a) mindestens einem mehrachsigen Roboter (1), insbesondere einem Lackierroboter (1) oder einem Handhabungsroboter, und b) einer Robotersteuerung (10) gemäß Anspruch 8.