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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Verlagerungen eines Werkzeugmittelpunktes eines Werkzeuges, das von einem Industrie-Roboter zur Bearbeitung eines Werkstücks genutzt wird. Das Verfahren und die Vorrichtung dienen auch zur Optimierung von Prozessplanung und -durchführung der Werkstückbearbeitung.
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Der Einsatz von Industrierobotern zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von großvolumigen Bauteilen, wie z.B. Karosseriebauteilen, ist sehr attraktiv und vorteilhaft. Im Vergleich zu einem Bearbeitungszentrum bietet ein Industrieroboter eine besonders hohe Flexibilität, relativ geringe Investitionskosten pro Kubikmeter Arbeitsraum sowie vorteilhafte Synergieeffekte durch die Integration unterschiedlicher Fertigungsverfahren. Jedoch ergibt sich bei einem Industrieroboter aufgrund seiner seriellen und mehrachsigen Bauart eine geringe Steifigkeit sowie ein stark anisotropisches und positionsabhängiges Nachgiebigkeitsverhalten, welches sich nachteilig auf die Bearbeitungsqualität, insbesondere bei einer spanabhebenden Bearbeitung, auswirkt.
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In der
DE 10 2007 024 143 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungsteuerung für elastische Roboterstrukturen beschrieben. Es wird zwar das Problem aufgegriffen, die Elastizitäten des Roboters zu kompensieren; der dortige Roboter wird jedoch vorwiegend für Lackierarbeiten, also für nicht-spanabhebende Bearbeitung, eingesetzt und die besonderen Probleme im Bereich spanabhebender Bearbeitung werden dort nicht näher behandelt.
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Als weiterer Stand der Technik wäre die
US 2006 / 048 364 A1 zu nennen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ausmaß von Verlagerungen eines Werkzeugmittelpunktes eines Werkzeuges zu ermitteln, das von einem Industrie-Roboter zur Bearbeitung eines Werkstücks genutzt wird, wobei die Verlagerungen des Werkzeugmittelpunktes (sog. „Tool Center Point“) u.a. aufgrund statischer wie auch dynamischer Roboternachgiebigkeit auftreten können. Die ermittelten Verlagerungen können für eine deutliche Verbesserung der Qualität bei der Prozessplanung und- durchführung genutzt werden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1.
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Demnach werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei denen zunächst anhand von diskreten Orientierungswinkeln, insbesondere Euler-Winkeln, welche die Werkzeugorientierungen des Werkzeugs beschreiben, alle möglichen Winkel-Kombinationen gebildet werden und dann eine Auswahl davon erfolgt, so dass jede Werkzeugorientierung nur durch jeweils eine Winkel-Kombination repräsentiert wird; anschließend werden anhand eines Robotermodells im Arbeitsraum des Industrieroboters (IR) erreichbare Bearbeitungskonfigurationen ermittelt, welche jeweils zumindest eine Bearbeitungspose des Industrie-Roboters angeben, indem anhand der Auswahl der Winkel-Kombinationen nur diejenigen Bearbeitungskonfigurationen ermittelt werden, die für den jeweiligen Werkzeugmittelpunkt (TCP) erreichbar sind; und dann werden anhand eines Nachgiebigkeitsmodells die (statischen und/oder dynamischen) Verlagerungen des Werkzeugmittelpunktes ermittelt.
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Für die Berechnung statischer TCP-Verlagerungen wird vorzugsweise ein elastostatisches Nachgiebigkeitsmodell verwendet, d.h. ein Starkörpermodell, bei dem die Nachgiebigkeiten der IR-Komponenten, insbesondere der Getriebe, Lagerungen und Strukturkomponenten, durch Federelemente ersetzt werden. Die Anzahl IR-Gelenke wird ausgehend von N realen Gelenken um M virtuelle Gelenke erweitert; dann wird die Verlagerung des TCP aus der Getriebeverdrehung und -verkippung sowie aus der elastischen Verformung von Lagerung und Struktur ermittelt, wobei vorzugsweise eine Transformation basierend auf der Denavit-Hartenberg-Konvention angewendet wird, um die TCP-Verlagerung unabhängig von seiner kartesischen Position berechnen zu können, mit dem Ziel die Bearbeitungsrichtung mit der geringsten TCP-Verlagerung zu finden.
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Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht u.a. von der Erkenntnis aus, dass die geringe Steifigkeit sowie das anisotrope Nachgiebigkeitsverhalten des Roboters, insbesondere durch folgende Ursachen begründet werden kann:
- o Aufbau des Industrieroboters als offene serielle kinematische Kette
- ◯ Unsymmetrische Gestaltung des Industrieroboters
- ◯ Unterschiedliche Steifigkeit der einzelnen Komponenten
- ◯ Konstruktive Auslegung des Industrieroboters für Handlingaufgaben anstatt für Zerspanungsaufgaben
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Durch die intelligente Auswahl der Werkstückposition und -orientierung bzw. Vorschubrichtung kann die Verlagerungen von Arbeitspunkt bzw. Tool Center Point (TCP) und somit das Bearbeitungsergebnis positiv beeinflusst werden.
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Die entwickelte Lösung bzw. Erfindung erfüllt die folgenden Aufgaben:
- ◯ Berechnung der Erreichbarkeit der Bearbeitungspositionen und Darstellung als Erreichbarkeitskarten
- ◯ Darstellung der statischen Roboternachgiebigkeiten in einer Karte, z.B. als statische Verlagerungskarte
- ◯ Darstellung der dynamischen Roboternachgiebigkeiten (Schwingungsanalyse während des Bearbeitungsprozesses) in einer Karte, z.B. als dynamisch Verlagerungskarte (Schwingungskarte)
- ◯ Ermittlung der Bearbeitungsrichtung und -position mit der geringsten statischen und dynamischen Nachgiebigkeit (und Darstellung z.B. als Häufigkeitsdiagramme)
- ◯ Ermittlung der nachgiebigsten Roboterkomponenten (Sensivitätsanalyse)
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Die Methode ist unabhängig vom Robotertyp. Als bevorzugte Einsatzgebiete sind zu nennen:
- ◯ Bewertung von verschiedenen Robotertypen
- ◯ Bewertung von Endeffektoren und deren Einfluss auf die Erreichbarkeit der Bearbeitungspunkte
- ◯ Nutzung der Daten zur Vorsteuerung bei der Korrektur der statischen (und evtl. dynamischen) Nachgiebigkeit in Echtzeit
- ◯ Bahnplanung
- ◯ Prozessauslegung
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Die Erfindung wird nachfolgend im Detail und anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgende schematische Darstellungen wiedergeben:
- 1 und 2 zeigen zur Verdeutlichung des Ausgangspunkts der Erfindung jeweils die Darstellung eines Industrieroboters mit seinem typischen „pilzförmigen“ Arbeitsraum;
- 3 zeigt in Form eines Flussdiagramms den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform; und
- 4 zeigt ein Blockdiagramm mit einer Struktur zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der danach arbeitenden Vorrichtung;
- 5 veranschaulicht ein im Verfahren verwendetes elastostatisches Nachgiebigkeitsmodell;
- 6a/b zeigen im Vergleich zwei sog. Heatmaps, welche aus den berechneten Ergebnissen erstellt worden sind, wobei die 6a eine Erreichbarkeitskarte und die 6b eine Verlagerungskarte darstellt; und
- 7a/b zeigen einen Industrieroboter in zwei für einen Fräsprozess ermittelten Bearbeitungspositionen, die extrem unterschiedlich sind: 7a zeigt die schlechteste Bearbeitungsposition und 7b zeigt die beste Bearbeitungsposition.
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Zunächst wird auf 1 und 2 Bezug genommen, die den Ausgangspunkt für die Erfindung veranschaulichen. Die 1 zeigt die Darstellung eines sechsachsigen Industrieroboters IR (Vertikal-Knickarmroboter) mit seinem „pilzförmigen“ Arbeitsraum, dessen Grenze G im Wesentlichen durch die Erreichbarkeit des Schnittpunktes SP der Achsen Vier und Fünf definiert ist. Allerdings ist der tatsächliche Arbeitsraum des Industrieroboters bedingt durch den am Roboterflansch angebrachten Endeffektor, also durch das Werkzeug TL, in der Regel größer als der durch die Grenze G beschriebene Arbeitsraum. Die Größe des Arbeitsraums sowie das positions- und richtungsabhängige Verhalten des Industrieroboters stellen für die Prozessplanung sowie -durchführung große Herausforderungen dar, deren Lösung entscheidend für die Prozessstabilität und die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung mit Industrierobotern ist. Daher ist von besonderer Bedeutung die optimale Positionierung zu finden, wo das Werkstück im Roboterarbeitsraum platziert werden soll, damit alle Bearbeitungsstellen erreicht werden. Des Weiteren ist bedeutend, Methoden bzw. Verfahren, zu ermitteln, welche die statischen und dynamischen Robotereigenschaften so nutzen, dass möglichst ein optimales Bearbeitungsergebnis erzielt werden kann.
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Wie in 1 dargestellt wird, soll idealerweise die Bearbeitung in einem optimalem Bereich BA* stattfinden, wo alle Bearbeitungsstellen auf einem Werkstück erreicht werden und der Industrieroboter die geringsten statischen und dynamischen Verlagerungen aufweist. Der optimale Bereich BA* wäre demnach der Überlappungsbereich von drei Bereichen BA1, BA2 und BA3. Dabei beschreibt BA1 den Bereich mit der höchsten Anzahl an erreichbaren Bearbeitungspunkten, BA2 den Bereich mit dem besten statischen Verhalten des Roboters und BA3 den Bereich mit dem besten dynamischen Verhalten des Roboters.
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Die 2 zeigt in der Hauptfigur 2a) den Industrieroboter IR mit seinem durch die Grenze G markierten Arbeitsraum, der z.B. folgende Ausdehnungen aufweist: horizontale Ausdehnung DX von etwa 2500 mm, vertikale Ausdehnung DZ0 von etwa 2800 mm bzw. DZM von etwa 3000 mm. Das zu bearbeitende Werkstück WP, welches z.B. ein Federbeindom sein kann, ist in der 2b) dargestellt und weist beispielsweise 44 Bearbeitungsstellen (Punkte) auf. In der 2c) ist das Werkzeug TL näher dargestellt sowie der Werkzeugmittelpunkt TCP (sog. Tool Center Point), welcher den eigentlichen am Werkstück WP angreifenden mittleren Bearbeitungspunkt des Werkzeugs darstellt. Die Erfinder haben sich insbesondere mit den folgenden Überlegungen befasst:
- Die hohe Beweglichkeit des Industrieroboters IR ermöglicht es, eine Position im kartesischen Arbeitsraum des Roboters aus verschiedenen Richtungen bzw. mit verschiedenen Werkzeugorientierungen zu erreichen. Dadurch ergibt sich für jede Werkzeugorientierung eine andere Achsstellung bzw. eine andere Roboterpose, obwohl die Position des Werkzeugmittelpunkt TCP dieselbe ist. Durch den Aufbau der Roboterachsen und deren Bewegungsbereich sowie durch den Endeffektor bzw. das Werkzeug TL ist die Erreichbarkeit eines Bearbeitungspunktes in verschiedenen Werkzeugorientierungen und somit Roboterposen beschränkt. Dies bedeutet, dass die Bearbeitungspunkte auf einem Bauteil (Werkstück WP) nur an wenigen Positionen im Arbeitsraum erreicht werden. Zudem darf beim Anfahren der Bearbeitungspunkte keine Kollision zwischen dem Endeffektor TL, dem Industrieroboter IR und dem Werkstück WP auftreten.
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Die Analyse der kollisionsfreien Erreichbarkeit aller Bearbeitungspunkte auf dem jeweiligen Werkstück WP im Roboterarbeitsraum kann, grundsätzlich, empirisch, analytisch oder numerisch erfolgen. Um einen Bearbeitungspunkt als erreichbar zu definieren sind im Wesentlichen drei Kriterien zu erfüllen: Als erstes muss der Bearbeitungspunkt aus dem Drehbereich der Achsen x, y, z erreichbar sein. Darüber hinaus dürfen beim Anfahren des jeweiligen Bearbeitungspunktes keine Kollision und keine Singularität auftreten. Für eine wirtschaftliche und zeiteffiziente Bearbeitung ist es zielführend, das jeweilige Werkstück WP an der Stelle zu positionieren, an der alle Bearbeitungsstellen vom Werkzeugmittelpunkt TCP aus erreicht werden. Hierfür wurden von den Erfindern das hier vorgestellte Verfahren sowie die danach arbeitende Vorrichtung entwickelt. Beides wird nachfolgend anhand der 3-6 im Detail beschrieben:
- Die 3 zeigt den schematischen Ablauf des Verfahrens 100 in einer ersten Ausführungsform mit den Schrittfolgen 110 bis 140. Das Verfahren 100 dient zur Ermittlung und Analyse von Verlagerungen eines Werkzeugmittelpunktes TCP eines Werkzeuges TL, hier insbesondere von solchen Verlagerungen, die durch statische Roboternachgiebigkeiten verursacht werden und wird daher auch kurz mit „StaticRob“ bezeichnet. Das Verfahren 100 umfasst eine umfassende Auswertung der ermittelten Verlagerungen zur Verbesserung der Ansteuerung eines Industrieroboters. Anhand der 4 wird später auch die Integration des Verfahrens 100 in eine Prozessplanung und -durchführung beschrieben sowie die Integration eines Verfahrens 200, welches zur Analyse von Verlagerungen dient, die durch dynamische Roboternachgiebigkeiten verursacht werden und die kurz als „DynamicRob“ bezeichnet wird.
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Zunächst wird auf die 3 Bezug genommen, die den Verfahrensablauf für den „StaticRob“ betrifft, welcher im Wesentlichen vier Tools umfasst: Das „CombTool“ im Block 110, das „ReachTool“ im Bock 120, das DispTool" im Block 130 und das „AnsTool“ im Block 140:
- Im ersten Block „CombTool“, der eine erste Schrittfolge 110 bildet, werden diskrete Werkzeugorientierungswinkel ermittelt bzw. generiert. Die Werkzeugorientierung lässt sich unter anderem durch die Euler-Winkel A, B und C beschreiben. Durch die Änderung der Werkzeugorientierung nimmt der Industrieroboter, ohne dass die TCP-Position sich ändert, verschiedene Bearbeitungsposen an. Für die Analyse der verschiedenen Posen wird daher im ersten Schritt die Kombination aller diskreten Werkzeugorientierungen im CombTool berechnet. Als Input werden der Winkelbereich sowie die Winkelschrittweite der Orientierungswinkel eingegeben. Das Ergebnis ist eine Liste aller Winkelkombinationen. Von der Liste werden die Winkelkombinationen, welche zur selben Werkzeugorientierung führen, ausgeschlossen. Somit werden im Block 110 anhand von diskreten Orientierungswinkeln, vorzugsweise Euler-Winkel A, B, C, welche die Werkzeugorientierungen des Werkzeugs TL beschreiben, alle möglichen Winkelkombinationen gebildet und dann wird eine Auswahl davon gebildet, so dass jede Werkzeugorientierung nur durch jeweils eine Winkel-Kombination repräsentiert wird; hierdurch kann das Datenaufkommen deutlich um die vorhandene Redundanz reduziert werden.
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Der nächste Block „ReachTool“ bildet eine weitere Schrittfolge 120, in welcher die im Arbeitsraum des Industrie-Roboters IR erreichbaren Bearbeitungskonfigurationen ermittelt werden. Unter Bearbeitungskonfigurationen werden zumindest die von dem Industrieroboter IR darstellbaren Bearbeitungsposen verstanden; es können aber zusätzlich auch die erreichbaren am Werkstück WP erreichbaren Bearbeitungspositionen bzw. --stellen umfasst sein. Somit kann jede Bearbeitungskonfiguration jeweils zumindest eine IR-Bearbeitungspose für eine konkret erreichbare WP-Bearbeitungsposition angeben. Der Block 120 bzw. das Berechnungsmodul ReachTool ist also im Wesentlichen ein Analysetool zur Ermittlung der erreichbaren Bearbeitungskonfigurationen. Bei einem solchen Analysetool könnten zwar die Werkzeugorientierungen entweder stochastisch auf einer Sphäre verteilt oder aus einer Liste mit den Bearbeitungspunkten importiert werden. Jedoch erfolgt hier im Block 120 keine stochastische Generierung von Bearbeitungsposen. Stattdessen wird hier über die Importfunktion des ReachTools das Importieren der Werkzeugorientierungen aus verschiedenen Quellen ausgeführt (stochastisch, diskret oder aus CAD-Datei). Insbesondere werden im Block 120, die zuvor im Block 110 ermittelten Werkzeugorientierungen anhand eines vorgebaren Robotermodells analysiert. Hierfür eignet sich z.B. die Simulationssoftware RoboDK® (eingetragene Marke) der Firma ROBODK SOFTWARE, S.L., Spanien. Nach der Analyse werden die Bearbeitungskonfigurationen, welche nicht vom TCP erreicht werden, für weitere Analysen ausgeschlossen. Hierdurch kann wiederum das Datenaufkommen deutlich reduziert werden.
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Somit erfolgt im Block 120 (ReachTool) anhand eines Robotermodells die Ermittlung von erreichbaren Bearbeitungspositionen und -posen, wobei als Eingangsdaten die Kombinationen aller Schrittwinkel (aus Block 110) vorliegen, ferner die Feldbreite und -länge sowie Schrittweite, und des Weiteren eine Auswahl eines Robotermodells. Als Ausgangsdaten liegt die erreichbare Bearbeitungskonfiguration vor.
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In einer weiteren Schrittfolge 130, dem Block „DispTool“, wird nun anhand eines Nachgiebigkeitsmodells jeweils die Verlagerung des Werkzeugmittelpunkts TCP in einer Bearbeitungsposition und -pose berechnet. Hierfür sind neben der Achsstellung Information über den Betrag und die Richtung der am TCP wirkenden Kraft erforderlich. Dabei wird im angewandten elastostatischen Nachgiebigkeitsmodell das Verhalten des TCP im kartesischen Arbeitsraum über das Verhalten der einzelnen Roboterkomponenten im Softwaretool Disp-Tool beschrieben.
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Grundlage für das DispTool ist das sogenannte Starkörpermodell, bei dem die Nachgiebigkeiten der Roboterkomponenten, einschließlich Getriebe, Lagerungen und Strukturkomponenten, durch Federelemente ersetzt werden. Dabei wird die Verlagerung des TCP aus der Getriebeverdrehung und -verkippung sowie aus der elastischen Verformung von Lagerung und Struktur zusammengesetzt. Man erhält ein elastisches Nachgiebigkeitsmodell (s. 5). Durch diese Betrachtungsart kann die Gesamtverlagerung unabhängig von seiner kartesischen Position berechnet werden. Mit dem Ziel die höchstmögliche Modellgüte zu erreichen, wird der Einfluss aller Komponenten bei der Berechnung der TCP-Verlagerungen berücksichtigt. Somit wird die Gesamtanzahl der Gelenke durch Einführen von virtuellen Gelenken von 6 auf insgesamt 11 erweitert. In der 5 ist das Koordinatensystem des elastischen Nachgiebigkeitsmodells dargestellt, wobei die Lage der Gelenke sich in der Achsstellung [0°, 0°, 0°, 0°, 0°, 0°] befinden.
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Die Transformationsmatrix für die Vorwärtstransformation basiert auf der Denavit-Hartenberg Konvention. Hierfür wird die Denavit-Hartenberg Konvention für die Beschreibung aller Gelenke (realer sowie virtueller) erweitert (siehe unten stehende Tabelle). Bei der Berechnung der TCP-Position im kartesischen Arbeitsraum aus den Gelenkstellungen erfolgt in jedem einzelnen Transformationsschritt zunächst eine Drehung um die x-Achse mit dem Wert a. Anschließend folgt eine Translation a entlang der x-Achse, b entlang der y-Achse und d entlang der z-Achse. Im letzten Schritt erfolgt eine Drehung θ um die z- Achse (siehe Tabelle).
| DH-Parameter des Roboters |
| i | α in rad (Rotation um x) | ainmm (Translation in x ) | b in mm (Translation in y) | d in mm (Translation in z) | Θ in rad (Rotation um z) |
| 1 | 0 nach 1 | 0 | 0 | 0 | 225 | -Θ1 |
| 2 | 1 nach 2 | π/2 | 350 | 450 | 0 | -π/2 - Θ2 |
| 3 | 2 nach (S) | -π/2 | 0 | 0 | 575 | 0 |
| 4 | (S) nach 3 | π/2 | 0 | 575 | 0 | -Θ3 |
| 5 | 3 nach (A) | -π/2 | 41,16 | 0 | 340 | 0 |
| 6 | (A) nach 4 | 0 | 0 | 0 | 340 | -Θ4 |
| 7 | 4 nach (H) | 0 | 0 | 0 | 160 | 0 |
| 8 | (H) nach 5 | π/2 | 0 | 160 | 0 | -Θ5 |
| 9 | 5 nach 6 | -π/2 | 0 | 0 | 240 | -Θ6 |
| 10 | 6nach (KS) | 0 | 0 | 0 | 103,2 | 0 |
| 11 | (KS) nach (SH) | 0 | 152 | 0 | 145,3 | 0 |
| 12 | (SH) nach 7 | 0 | 290 | 0 | 0 | 0 |
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Aufgrund des anisotropen Nachgiebigkeitsverhaltens des Industrieroboters hat die Richtung der Bearbeitung bzw. die Richtung der wirkenden Prozesskraft, neben dem Betrag der Prozesskraft, einen wesentlichen Einfluss auf die TCP-Verlagerung. Mit dem Ziel, die Bearbeitungsrichtung mit der geringsten TCP-Verlagerung zu finden, kann im Disp-Tool durch die beliebige Vorgabe der diskreten Vorschubrichtung die Verlagerung des TCP in einer Bearbeitungskonfiguration berechnet werden. Die Wirkrichtung der Prozesskraft kann insbesondere bei spanabhebenden Bearbeitungen wie Bohren oder insbesondere Fräsen stark abhängig von der Bearbeitungsrichtung sein:
- Denn bei Industrierobotern liegt eine starke Kopplung der Nachgiebigkeiten vor. Beim Fräsen gewinnt diese Tatsache mehr an Bedeutung als beim Bohren, da beim Fräsen eine dreidimensionale Fräskraft auf den Werkzeugmittelpunkt TCP wirkt. Demzufolge ist nicht nur der Betrag der Fräskraftkomponenten entscheidend für eine TCP-Verlagerung. Auch die Richtung der Fräsbahn hat einen starken Einfluss auf die TCP-Verlagerungen. Aus diesem Grund wird in StaticRob in der Analyse (Block 130) der Einfluss der Bearbeitungsrichtung, neben den Arbeitungspositionen und -posen, auf das Verlagerungsverhalten des Industrieroboters berücksichtigt. Die Anzahl der Bearbeitungsrichtungen kann in beliebigen Diskretisierungsschritten in „StaticRob“ eingegeben werden. Für die Analyse wird exemplarisch eine Richtungsschrittweite von 45° gewählt. Somit kann in jeder Bearbeitungskonfiguration das Fräsen in acht Richtungen erfolgen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass sich die Wirkrichtung der Fräskraftkomponenten in Abhängigkeit von der Fräsrichtung ändert. Dabei wirkt die Vorschubkraft in entgegengesetzter Richtung zum Vorschub und die Vorschubnormalkraft senkrecht zur Vorschubkraft. Die Richtung der Passivkraft ist jedoch nicht von der Vorschubrichtung abhängig, sondern von der Geometrie des Werkzeugs und wirkt im Beispiel hier stets in positive x-Richtung des Tool-Koordinatensystems (s. auch 2c). Was die Möglichkeiten des StaticRob betrifft, so kann die Analyse der TCP-Verlagerungen beim Fräsprozess sowohl zur globalen als auch zur lokalen Ermittlung der Verlagerungen erfolgen.
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Bei der lokalen Untersuchung der TCP-Verlagerungen erfolgt die Ermittlung der TCP-Verlagerungen in einer Bearbeitungsposition, d.h. an einer konkreten Stelle des Werkstücks, mit einer feinen Diskretisierung der Bearbeitungsrichtungen und -posen, um die beste Bearbeitungsrichtung und -pose zu ermitteln. Bei einer globalen Betrachtung der TCP-Verlagerungen können in einem Teilbereich oder im gesamten Arbeitsraum die Ergebnisse in Form einer sogenannten Heatmap dargestellt werden (siehe auch 6a/b). Bei der lokalen Analyse wird die beste Bearbeitungsrichtung und Werkzeugorientierung in einem Bearbeitungspunkt errechnet. Die Auswertungsergebnisse können in Form von Erreichbarkeits-, Verlagerungs- und Varianzkarten dargestellt werden. Darüber hinaus können z.B. die Häufigkeitsverteilung der Achsbewegung und der Verlagerungen in einem Histogramm präsentiert werden.
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Im Block 130 erfolgt also die Ermittlung von TPC-Verlagerungen, wobei als Eingangsdaten die Eingabe aller erreichbaren Bearbeitungspositionen und -posen für die Erstellung einer Verlagerungskarte vorliegen; oder die Eingabe von allen erreichbaren Posen in einer Bearbeitungsposition zur Ermittlung der besten Bearbeitungsrichtung und -pose; ferner noch Daten betreffend die Prozesskräfte, DH-Parameter des eingesetzten Industrieroboters und Nachgiebigkeitsparamter der eingesetzten Roboterkomponenten. Als Ausgangsdaten liegt dann die Arbeitspunkt-Verlagerung vor; und ebenso achsspezifische Verlagerungen.
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Im nächsten Block 140, dem „AnsTool“ erfolgt dann eine umfassende, insbesondere statistische, Auswertung der Ergebnisse. Je nach Art der Betrachtung der Analysen (global oder lokal) stehen im Ans-Tool verschiede Darstellungsmöglichkeiten zur Verfügung. Bei einer globalen Betrachtung der TCP- Verlagerungen in einem Teilbereich oder im gesamten Arbeitsraum können die Ergebnisse in Form einer sogenannten Heatmap dargestellt werden, d.h. in Form von grafischen Verlagerungskarten (s. 6b). Bei der lokalen Analyse wird die beste Bearbeitungsrichtung und Werkzeugorientierung in einem Bearbeitungspunkt errechnet. Die Auswertungsergebnisse können in Form von Erreichbarkeits-, Verlagerungs- und Varianzkarten dargestellt werden. Darüber hinaus können z. B. die Häufigkeitsverteilung der Achsbewegung und der Verlagerungen in einem Histogramm präsentiert werden. Des Weiteren werden die beste und schlechteste Bearbeitungspose und -richtung bestimmt und angezeigt.
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Demnach liegen dem Block 140 als Eingangsdaten die Arbeitspunkt-Verlagerungen vor; ebenso achsspezifische Verlagerungen. Als Ausgangsdaten werden insbesondere erstellt: eine Verlagerungskarte, ein Häufigkeitsdiagramm der Posen mit geringster bzw. höchster TCP-Abweichung bzw. -Verlagerung, Häufigkeitsdiagramm der Bearbeitungsrichtung mit geringster bzw. höchster TCP-Abweichung bzw. - Verlagerung, eine Varianzkarte, eine Häufigkeitsdichte der Verlagerungen, eine Häufigkeitsdichte des Drehbereichs der Achswinkel und/oder eine Sensitivitätsanalyse.
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Exemplarisch für die umfassenden Ergebnisse aus dem „StaticRob“ zeigen die 6a und 6b zwei Heatmaps, welche aus den berechneten Ergebnissen erstellt worden sind. Die 6a zeigt eine Erreichbarkeitskarte mit dem in hell/weiß dargestellten Bereich BA1 für die höchste Erreichbarkeit. Die 6b zeigt eine Verlagerungskarte mit dem in hell/weiß dargestellten Bereich BA2 mit dem geringsten arithmetischen Mittel der euklidischen Norm. Bei der Gegenüberstellung der Erreichbarkeitskarte (links) mit der Verlagerungskarte der euklidischen Normen (rechts) wird ersichtlich, dass es keine Überschneidung der optimalen Bearbeitungsbereiche gibt, im Unterschied zu der erhofften Annahme (vergl. 1b), dass sich ein Bereich finden möge, in dem möglichst alle Kriterien erfüllt werden: also die höchste Anzahl an erreichbaren Bearbeitungspunkten (BA1), das beste statische Verhalten des Roboters (BA2) und auch das beste dynamische Verhalten des Roboters (BA3).
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Auch für den Fall, dass sich die Bereiche nicht alle überlappen, ist es trotzdem möglich, in einer Bearbeitungsposition das lokale Optimum aus Bearbeitungspose und -richtung zu finden. Das heißt, wenn eine globale Betrachtung zu keinem Bereich führt, der möglichst alle Kriterien erfüllt, dann kann eine lokale Betrachtungsweise noch zu einer ausreichenden Optimierung führen. Wie gesagt: Aus verschieden Gründen ist häufig in der Realität die Bearbeitung an der Stelle, an der das beste Bearbeitungsergebnis erreichbar ist, nicht möglich. Ein Grund dafür ist, wie zuvor beschrieben, die geringe Erreichbarkeit der Bearbeitungsposen an dieser Stelle. Um an der Stelle, an der die höchste Erreichbarkeit der Bearbeitungspunkte gegeben ist, das bestmögliche Bearbeitungsergebnis zu erreichen, wird dann mit dem StaticRob eine lokale Verlagerungsanalyse durchgeführt. Da die Analyse nur in einer Position stattfindet, kann die Schrittweite der Bearbeitungsposen und -richtungen für eine gute Auflösung erhöht werden, ohne dass der Rechenaufwand zu groß wird. Die Schrittweite der Bearbeitungsposen beträgt zum Beispiel 3° und die Schrittweite der Bearbeitungsrichtungen beträgt zum Beispiel 1 °. Darüber hinaus kann der Analysebereich der Euler-Winkel A und B auf ± 20 ° eingeschränkt werden. Der Drehbereich des Euler-Winkels C liegt beispielsweise bei ± 180 °. Dann werden die beste und schlechteste Bearbeitungspose und -richtung für die konkrete Bearbeitungsposition (hier z.B. x = 255,2 mm, y = -1634,9 mm und z = 614,8 mm) mit dem StaticRob ermittelt.
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Die 7a und 7b zeigen einen Industrieroboter in zwei solchen Bearbeitungspositionen, die für einen Fräsprozess und einen konkreten TCP ermittelt wurden. Die 7a zeigt die schlechteste Bearbeitungsposition und die 7b zeigt die beste Bearbeitungsposition. Wie ein Vergleich beider Figuren zeigt, kann es durchaus vorkommen, dass einzelne (oder auch mehrere) Achsstellungen dieser beiden extrem unterschiedlichen Bearbeitungspositionen sich nicht besonders stark voneinander unterscheiden.
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Was die Ermittlung des Einflusses der Roboterkomponenten auf die statische TCP-Verlagerung (Sensitivitätsanalyse) angeht, so wird hierfür auch das anhand der 5 veranschaulichte elastostatische Nachgiebigkeitsmodell verwendet. Denn, wie bereits beschrieben, ergibt sich die Gesamtverlagerung des TCP aus den Verlagerungen der einzelnen Gelenke und Strukturen. Für eine gezielte Komponetenoptimierung muss Roboterhersteller über die Information verfügen, welche Komponente den größten Beitrag zur Gesamtverlagerung leistet, um diese Komponente hinsichtlich ihrer Steifigkeiten zu optimieren. Aus diesem Grund wird in Rahmen der Sensitivitätsanalyse der Einfluss der Komponenten auf die Gesamtverlagerung des TCP analysiert. Die Einflüsse der Komponenten auf die Gesamtverlagerung des TCP lassen sich in kinematische und elastostatische unterteilen. Dabei erfolgt bei der Sensitivitätsanalyse im ersten Schritt die Berechnung der kinematischen Gewichtungsgrößen. In dem darauffolgenden Schritt erfolgt durch die Kopplung der kinematischen Gewichtungen der Komponenten mit deren Steifigkeiten die Ermittlung des Beitrags jeder Komponente zur Gesamtverlagerung. Grundlage der kinematischen Gewichtung ist die Betrachtung des Einflusses jedes einzelnen Gelenkes (insgesamt z.B. 33 Gelenke; 5) auf die TCP-Verlagerungen in x, y und z-Richtung sowie auf die TCP-Verkippungen um die Euler-Winkel A, B und C. Dabei hängt die kinematische Gewichtung der Roboterkomponenten von der Position des TCP ab. Je größer der Abstand der Komponente zum TCP desto höher ihrer Gewichtung. Daher muss die kinematische Gewichtung für jede Pose neu berechnet werden.
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Bei der Berechnung wird jeweils ausgehend von der Soll-Pose jedes Gelenk nacheinander um einen festen Winkel z.B. 1 ° verdreht und die daraus resultierende TCP-Verlagerung und -Verkippung mit der Vorwärtskinematik berechnet. Im letzten Schritt, wird die jeweilige prozessbedingte Gelenkverdrehungen mit der entsprechenden kinematischen Gewichtung des jeweiligen Gelenks multipliziert. Durch die Auswertung der Daten kann eine Aussage über den Einfluss eines Gelenks auf die TCP-Verlagerungen getroffen werden. Hier wurde die kinematische Gewichtung der Arbeitungspositionen und -posen aus dem Fräsprozess mit den jeweiligen Gelenkverdrehungen multipliziert. Die Auswertung der Daten zeigt, dass das eines der Y-Gelenke (ys) sehr häufig zu Verlagerungen in x0- und z0- Richtung beiträgt. Wiederum sind einige der Z-Gelenke (z1, z2, z3) in großen Maßen an den y-Verlagerungen beteiligt. Diese Ergebnisse können für eine Reduzierung der Verlagerungen um die Euler-Winkel genutzt werden. Für eine Reduzierung der Verlagerungen um A und B wird beispielsweise das Gelenk z4 optimiert; und für die Reduzierung der Verlagerung um C wird z.B. das Gelenk z6 optimiert.
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Die obige Beschreibung zusammenfassend, wird mit dem vorgestellten Verfahren 100, welches den „StaticRob“, kennzeichnet, das statische Nachgiebigkeitsverhalten des Industrieroboters IR umfassend erfasst und ausgewertet. Die Ergebnisse können für die Prozessplanung wie auch für die Durchführung von Bearbeitungsprozessen herangezogen werden und somit die Werkstück-Bearbeitung durch den IR deutlich verbessern, insbesondere hinsichtlich einer Beschleunigung des Ablaufs wie auch einer Erhöhung der Qualität.
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Das hier vorgestellte Verfahren 100 „StaticRob“ bietet eine schnelle Identifikation von TCP-Verlagerungen für beliebige Robotertypen, Zerspanprozessen (Bohren und Fräsen) sowie Bearbeitungskräfte. Voraussetzungen sind vorhandene Steifigkeitswerte der einzelnen mechanischen Komponenten sowie die kinematischen Daten des Roboters. Die Schrittweite bei der Analyse der Nachgiebigkeiten im Arbeitsraum und die Anzahl von Werkzeugorientierungen sind beliebig einstellbar. Somit können Arbeitsbereiche zunächst grob identifiziert und dann genauer lokalisiert werden. Die Ergebnisse veranschaulichen die Abhängigkeit der Verlagerung des TCP von dessen Position im Arbeitsraum. So liegt beispielsweise die gemittelte Gesamtverlagerung in dem Bereich mit der höchsten Erreichbarkeit bei ca. 1,5 mm.
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Auch können u.a. die optimale Werkzeugorientierung und Bauteilposition z.B. bei einem Fräsprozess ermittelt werden.
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In ähnlicher Weise kann zusätzlich auch ein Verfahren 200, das als „DynamicRob“ bezeichnet wird, in die Prozessplanung und -durchführung eingebunden werden, um das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten des Industrieroboters IR zur erfassen und auszuwerten.
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Die nachfolgend beschriebene 4 zeigt in Form eines Blockdiagramms die beiden Verfahren 100 „StaticRob“ und 200 „DynamicRob“ eingebunden in die Prozessplanung, insbesondere Bahnplanung 300, sowie in die Durchführung eines Bearbeitungsprozesses (Blöcke 400-410):
- Das Verfahren 100 (StaticRob) liefert als Ergebnisse 100R die o.g. Auswertungen, welche angeben, in welcher Bearbeitungskonfiguration und Bearbeitungsrichtung die statische TCP-Verlagerung am geringsten ist. Das Verfahren 200 (DynamicRob) liefert als Ergebnisse 200R die Auswertungen, welche angeben, in welcher Bearbeitungskonfiguration und Bearbeitungsrichtung die dynamischen TCP-Verlagerung am geringsten ist und welche Zerspanungsparameter ggf. zu instabilen Prozesszuständen führen können.
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Beide Ergebnisse 100R und 200R können die Prozessplanung 300 optimieren, insbesondere die Bahnplanung und Prozessauslegung bzw. Auslegung der Schnittparameter für die anstehende Werkstück-Bearbeitung. Der eigentliche Bearbeitungsprozess (Zerspanung im Block 300) erfolgt dann aufgrund der Prozessplanung 300.
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Die Ergebnisse 100R und 200R werden aber auch für die Prozessregelung (Block 310) genutzt, um insbesondere Korrekturen der Roboternachgiebigkeiten und/oder eine Vorsteuerung durchzuführen. Die in der Prozessregelung (Block 310) verwendeten Daten werden in einem Prozessdatenspeicher 420 abgelegt und dienen der Regleroptimierung (Rückschleife zum Block 410) und des Weiteren auch zur Modelloptimierung des jeweiligen Analyse- und Auswertungs-Verfahrens (Rückschleife zum Block 100 bzw. 200).
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Zusammenfassend haben die Erfinder das Problem erkannt und untersucht, dass signifikante Abweichungen des Arbeitspunktes bzw. TCP auftreten, die durch statische und dynamische Krafteinflüsse auf das Werkzeug und/oder den Roboter während der Bearbeitung eines Werkstücks hervorgerufen werden. Zur Korrektur wurden die offenbarten Verfahren entwickelt, bei denen eine erste Analyse von statischen Eigenschaften des Roboters durchgeführt wird und eine zweite Analyse von dynamischen Eigenschaften des Roboters durchgeführt wird. Die Ergebnisse beider Analysen können direkt in eine Prozessplanung (Bahnplanung und Prozessauslegung) einfließen; auch können die Ergebnisse beider Analysen in eine Prozessdurchführung einfließen und dort für die Regelung des Bearbeitungsprozesses genutzt werden wie auch zur Regleroptimierung selbst. Die Daten aus der Prozessregelung können in einem Prozessdatenspeicher abgelegt und zur Modelloptimierung genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007024143 A1 [0003]
- US 2006/048364 A1 [0004]
