DE19901334A1 - Einrichtung zur Erfassung der Position eines handgeführten Werkzeugs - Google Patents
Einrichtung zur Erfassung der Position eines handgeführten WerkzeugsInfo
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Abstract
Die optische Positionserfassung eines handgeführten Werkzeugs ist problematisch; es wird oft durch Hindernisse verdeckt. Die neue Einrichtung ermöglicht die Positionserfassung auch dann, wenn keine Sicht zum Arbeitsort besteht. DOLLAR A Die Position des Werkzeugs wird durch ein Sensorsystem am Werkzeug und einen Rechner verfolgt. Es ist vorteilhaft, hierfür Trägheitssensoren zu verwenden und den Bewegungsablauf an bekannten Referenzpunkten zu korrigieren. Als Referenzpunkte können auch bekannte Arbeitspunkte dienen. DOLLAR A Die Einrichtung ermöglicht die Kontrolle von Arbeitsabläufen. Es wird zuverlässig festgestellt, ob die Arbeiten an den gewünschten Orten ausgeführt wurden. Dies ist insbesondere für den Nachweis von sicherheitsrelevanten Arbeiten von Bedeutung.
Description
Es ist bekannt, ein Werkzeug an einem Koordinatentisch zu führen. Die jeweilige Position in X-,
Y- und Z-Richtung kann über Skalen abgelesen werden oder elektronisch über sog. Inkremen
talgeber erfaßt werden.
Desweiteren kann nach dem allgemeinen Stand der Technik an dem Werkzeug eine optische
Markierung angebracht und die Position des Werkzeugs mit einer oder mehreren Kameras
verfolgt bzw. durch Bildauswertung mit Rechnern erfaßt werden. In dem Moment, in dem mit
dem Werkzeug die vorgesehene Arbeit durchgeführt wird, kann die Position aufgenommen und
gespeichert werden.
Die DE 39 11 054 C2 beschreibt ein führerloses Förderfahrzeug, das sich immer wieder an
diskreten Navigationsstützpunkten in der Fahrbahn orientiert. Es ist hier nicht im Detail darge
stellt, aber naheliegend, daß zur Führung zwischen den Navigationsstützpunkten odometrische
Sensoren, z. B. Radimpulsgeber oder Lenkwinkelgeber und ggf. auch Trägheitssensoren ver
wendet werden.
Das bildverarbeitende System hat den Nachteil, daß das Werkzeug immer im Blickfeld der Ka
mera sein muß. In der Praxis ist es von Nachteil, daß der Werkzeugführer selbst, das Werk
stück oder Arbeitsobjekt bzw. Teile davon oder andere Gegenstände die Sicht zum Werkzeug
bzw. zur Markierung verhindern.
Fahrzeuge, die sich an diskreten Navigationsstützpunkten orientieren können, bewegen sich
entlang einer vorgegebenen Linie in einem zweidimensionalen Raum. Die Position wird mit ei
ner fahrzeuginternen Sensorik gemessen und bei einem Fehler im weiteren Fahrverlauf, korri
giert. Der Navigationsstützpunkt ist so ausgebildet, daß er bei Annäherung die fahrzeuginterne
Sensorik beeinflußt. Werkzeuge sind aber im allgemeinen nicht mit einer solchen Sensorik
ausgerüstet; des weiteren verfügen die Arbeitsorte auch nicht über die physikalischen Eigen
schaften eines Navigationsstützpunktes.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen
Mitteln und zuverlässig die Position eines handgeführten Werkzeugs zu erfassen.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die jeweilige Position
des handgeführten, also mindestens in einer Achse frei von einer Person bewegten Werkzeugs
durch ein Sensorsystem und einen Rechner erfaßt, bzw. ermittelt wird. Es ist nicht notwendig,
das zu bearbeitende Objekt mit besonderen Navigationsstützpunkten auszustatten oder am
Werkzeug eine Sensorik vorzusehen, mit der das Signal von einem solchen Navigationsstütz
punkt gemessen wird. Als Ersatz für den Navigationsstützpunkt oder auch Referenz dient das
Arbeitsobjekt selbst. Mögliche Arbeitsorte an dem Objekt sind entweder als Fläche wie bei
einer Wand, als Gerade wie bei einer Schiene oder allgemein als Ort durch drei Achsen
definiert. Es ist also auch der Arbeitsort in seine Position bekannt. Das Objekt kann ein
Werkstück, prinzipiell aber sogar ein Lebewesen sein.
Nach Anspruch 2 wird zur weiteren Beschreibung des Arbeitsortes auch die notwendige
Richtung des Werkzeuges an diesem Ort benutzt.
Der Arbeitsprozeß wird nach Anspruch 3 an einer bekannten Position gestartet. Hierdurch ist
eine Referenzbasis für das Messen mit dem Sensorsystem gegeben. Die bekannte Position
kann eine stationäre Einrichtung sein. Es ist aber auch möglich, das Werkzeug in der
Bewegung z. B. mit einer Kamera zu erfassen und dadurch den Ort und ggf. auch die
Orientierung, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit zu bestimmen und den Arbeitsprozeß
im Augenblick der Erfassung des bewegten Werkzeugs zu beginnen.
In vielen Arbeitsprozessen ist es gewünscht, daß bekannte Arbeitsorte oder Arbeitspositionen
mit dem Werkzeug angefahren werden. Nach Anspruch 4 kann mit der Einrichtung überprüft
werden, ob die gewünschten Arbeitsorte abgearbeitet wurden.
Für ein frei bewegliches Werkzeug ist es nach Anspruch 5 vorteilhaft, daß das Sensorsystem
mit Trägheitssensoren arbeitet. Somit sind keine festen Meßverbindungen zu einer stationären
Position notwendig. Der Arbeitsablauf wird an einer bekannten Position gestartet. Hierzu wer
den die Trägheitssensoren zunächst zurückgesetzt. Die Trägheitssensoren sind nicht lang
zeitstabil, sonder in der Regel nur für kurze Bewegungsabläufe geeignet. Sie müssen daher
möglichst häufig über bekannte Positionen oder Bewegungsabläufe kontrolliert werden.
Der Einfachheit halber bietet es sich natürlich an, Trägheitssensoren dann an einen bekannten
Punkt in Ruhe, bzw. relativ ruhiger Lage, zurückzusetzen. Die Startposition kann selbst ein Ar
beitsort sein. An jedem neuen Arbeitsort wird die Trägheitssensorik wieder zurückgesetzt. Dies
ist dann möglich, wenn die Position dieser Arbeitsorte und ggf. auch die hier notwendige Wek
zeugrichtung bekannt sind und somit geringe Fehler der Trägheitssensorik, die bei der Bewe
gung von einem Arbeitsort zum nächsten auftreten, wieder ausgeglichen werden können. Der
Arbeitsprozeß wird fortgesetzt bis zum letzten Arbeitsort.
Es ist nach Anspruch 6 vorteilhaft, daß durch diese Einrichtung die Qualitätssicherung, z. B. in
der Montage, gewährleistet werden kann. Die einzelnen Arbeitsschritte können dokumentiert
werden.
Nach Anspruch 7 kann festgestellt werden, daß die Arbeit richtig ausgeführt wurde. Hierzu
können weitere Sensoren verwendet werden, die möglicherweise die Verweildauer am Arbeits
ort, das Drehmoment, Kräfte, Stromfluß oder andere Qualitätsmerkmale erfassen. Das zu
bearbeitende Objekt befindet sich in einer bekannten Lage befindet. Das Objekt muß nicht
unbedingt stationär sein, es ist auch möglich, daß das Werkstück mit festgelegter Ge
schwindigkeit von einem schienengeführten System transportiert wird. Das Werkstück kann auf
vielfältige Weise bearbeitet werden, z. B. durch Schrauben, Bohre, Nieten, Schweißen, Do
sieren, Gewindeschneiden und dergleichen.
Der Rechner kann sich nach Anspruch 8 am Sensorsystem befinden. Dadurch ist eine relativ
ungestörte Verbindung zwischen Rechner und Sensorsystem möglich. In anderen Fällen ist es
besser, den Rechner an einer geschützten, stationären Position unterzubringen. Die Verbin
dung zwischen Rechner und Sensorsystem kann dann über möglichst flexible Leitungen oder
auch drahtlos hergestellt werden.
Es ist bekannt, daß Personen bei der Arbeit Fehler machen können. Nach Anspruch 9 ist es
daher vorgesehen, daß der Werkzeugführer in diesem Fall informiert wird. Das Vergessen des
Arbeitsortes wird dadurch ermittelt, daß der Arbeitsort vom Werkzeugführer nicht angefahren
wurde. Ob eine Arbeit richtig oder falsch ausgeführt wurde, kann durch sonstige Sensorik, z. B.
Kraftsensoren und Zeitmesser, festgestellt werden.
Es ist, möglich, daß das Sensorsystem durch falsche Bedienung, z. B. Überschreitung der Meß
zeit oder Schockbelastung irritiert wird. Die Bewegung von einem ersten zum zweiten Arbeitsort
kann dann mit diesem Sensorsystem nicht mehr richtig kontrolliert werden. Es ist nach An
spruch 10 aber möglich, daß dann von dem dritten Arbeitsort die Position zudem zweiten Ar
beitsort überprüft wird. Auch hier ist dabei davon auszugehen, daß z. B. die Position der Ar
beitsorte an sich bekannt ist, und daß bei Verwendung von Trägheitssensorik an diesen Ar
beitsorten bei Bedarf eine Rücksetzung erfolgen kann.
Bei komplizierten Werkstücken oder Arbeitsobjekten ist es leicht möglich, daß der Werkzeug
führer einen Arbeitsort vergißt oder den nächsten Arbeitsort nicht sofort findet. Nach Anspruch
11 ist es daher hilfreich, wenn dem Werkzeugführer mitgeteilt wird, wo sich der nächste Ar
beitsort befindet. Ob sich am Werkzeug eine optische, akustische, taktile oder sonstige Ein
richtung befindet, die ihm die Position oder Richtung des nächsten Arbeitsortes zeigt, ist nicht
festgelegt.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
In der Figur ist der Bewegungsablauf des Schraubers (13) an einer Maschine (12) abgebildet. Der
Schrauber (13) wird für den Arbeitsprozeß beispielsweise mit einer Aufnahme für 8 mm
Schrauben und mit einer Sensorik zur Erfassung der Drehmomente (14) ausgerüstet. Der
Schrauber verfügt des weiteren über eine Trägheitssensorik (15), die z. B. mit drei translatori
schen und drei rotatorischen Beschleunigungssensoren bzw. Drehratensensoren ausgestattet
ist. Es sind natürlich auch andere Sensorkombinationen möglich.
Der Arbeitsprozeß beginnt mit dem automatischen oder manuell durchgeführten Rücksetzen an
der Startposition (1). An dem ersten Arbeitsort (2) wird eine Schraube M8 angezogen und da
bei das Drehmoment festgestellt. Die Räumkoordinaten des ersten Arbeitsortes sind bekannt.
Eventuell sind auch die für die Arbeit notwendige Arbeitsrichtung und das erforderliche
Drehmoment bekannt. Möglicherweise hat die Trägheitssensorik (15) mit dem Rechner (16)
eine Position ermittelt, die 10 mm neben der Position des ersten Arbeitsortes (2) liegt. Dieser
Fehler ist evtl. der Trägheitssensorik (15) zuzuschreiben, aber noch tolerierbar.
Es wird nun an das Qualitätssicherungssystem gemeldet, daß der erste Arbeitsort 2 richtig an
gefahren und die Arbeit richtig ausgeführt wurde. Das gemessene Drehmoment liegt im ge
wünschten Bereich. Die Trägheitssensorik (15) wird zurückgesetzt. Der erste Arbeitsort (2)
dient jetzt als Referenz für die weitere Weg- bzw. Positionsberechnung.
Nun wird die Arbeit in bekannter Weise am zweiten Arbeitsort (3) mit dem Befestigen der näch
sten Schraube M8 fortgesetzt.
Nach dem Abarbeiten des dritten Arbeitsortes (4) möchte der Werkzeugführer den vierten Ar
beitsort (6) anfahren. Dabei stößt er an ein Hindernis (5). Das Sensorsystem ist jedoch nicht
ausgelegt für derartige Schocks. Die Position des vierten Arbeitsortes (6) kann daher nicht ge
nau ermittelt werden. Die Abweichung ist zu groß. Nach Anfahrt des fünften Arbeitsortes (7)
kann jedoch verifiziert werden, daß die Strecke zwischen dem vierten und, fünften Arbeitsort (6,
7) mit akzeptabler Sicherheit erfaßt wurde.
Nach Bearbeitung des sechsten Arbeitsortes (8) versucht der Werkzeugführer den siebten Ar
beitsort (10) anzufahren. Er findet ihn jedoch nicht gleich, sondern benötigt eine Suchphase (9).
Durch diesen großen Zeitraum wird der siebte Arbeitsort (10) nicht mehr genau erfaßt. Wie
aber auch schon zuvor kann der siebte Arbeitsort (10) durch Rückführung des Schraubers (13)
an die Startposition (1) zurückverfolgt werden.
Es ist aus dem Bewegungsablauf zu sehen, daß der Werkzeugführer den achten Arbeitsort.
(11) vergessen hat. Je nach Ausstattung der Einrichtung ist es möglich, daß dem Werkzeug
führer nicht nur angezeigt wird, daß erden achten Arbeitsort (11) vergessen hat, sondern daß
ihm auch z. B. akustisch oder über ein Display mitgeteilt wird, daß er einen Arbeitsort rechts
unten an der Maschine, möglicherweise neben einem markanten Teil, noch durchzuführen hat.
Bei der Startposition (1) handelt es sich hier um eine Halterung für den Schrauber (13). Des
weiteren ist daneben der Rechner (16) dargestellt, in dem auch die Positionen und eventuell
Arbeitsrichtungen der abzuarbeitenden Arbeitsorte an der Maschine (12) abgespeichert sind.
Der Rechner (16) ist mit dem Schrauber (13) bzw. dem Sensorsystem - in diesem Fall der
Trägheitssensorik (15) - über Funk oder Leitung verbunden. Der Rechner (16) ermittelt durch
die Signale von der Trägheitssensorik (15) den Weg, bzw. letztendlich die jeweilige Position der
Trägheitssensorik (15). Wichtig ist die Ortsermittlung, wenn der Schrauber (13) an einem der
Arbeitsorte eingeschaltet wird. Die ermittelten Orte müssen mit den bekannten Arbeitsorten
überprüft werden. Der Rechner (16) meldet die Ergebnisse an ein nicht dargestelltes Qualitäts
system zur Dokumentation. Auch die Richtung des Schraubers (13) kann bei Bedarf benutzt
werden, um die Qualität der Arbeit zu dokumentieren und/ oder die Trägheitssensorik (15) an
einen Arbeitsort zurückzusetzen. Der Schrauber (13) muß am Arbeitsort auf die Achse der
Schraube ausgerichtet sein.
An sich möchte man mit der Trägheitssensorik (15) die Lage des Arbeitsortes feststellen.
Deshalb sollte die Trägheitssensorik auch möglichst dicht an den Arbeitsort herangebracht
werden. Die Differenz zwischen Arbeitsort und Ort der Trägheitssensorik (15) kann rechnerisch
berücksichtigt werden. Mit zunehmender Differenz werden im allgemeinen auch die Fehler
größer. Praktisch bietet es sich deshalb an, die Trägheitssensorik (15) möglichst weit vorn am
Schrauber (13) zu plazieren.
Claims (11)
1. Einrichtung zur Erfassung der Position eines handgeführten Werkzeugs, bestehend aus ei
nem Rechner und einem Sensorsystem,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß das Sensorsystem sich im, am oder in der Nähe des Werkzeuges befindet,
- - daß Positionsänderungen des Werkzeugs von dem Sensorsystem erfaßt werden,
- - daß zur Positionsermittlung ein Rechner verwendet wird,
- - daß die Lage eines oder mehrerer möglicher Arbeitsorte an einem zu bearbeitenden Objekt bekannt ist und
- - daß die ermittelte Position mit den möglichen Arbeitsorten an dem bekannten Objekt ver glichen wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Richtung des Werkzeugs in mindestens einer Achse erfaßt wird und
- - daß verglichen wird, ob diese Richtung an diesem Arbeitsort zulässig ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Arbeitsablauf von einer bekannten Position aus gestartet wird.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß kontrolliert wird, ob die jeweiligen Arbeitsorte abgearbeitet wurden.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß das Sensorsystem mit Trägheitssensoren arbeitet,
- - daß die Trägheitssensoren an einer bekannten Position zurückgesetzt werden,
- - daß die Positionsänderung zu einem bekannten Arbeitsort mit den Trägheitssensoren er faßt wird,
- - daß die Trägheitssensorik sodann auch an diesen bekannten Arbeitsort wieder zurückge setzt wird und
- - daß daraufhin die Positionsänderung zu den nächsten bekannten Arbeitsorten in gleicher Weise erfaßt wird.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Einrichtung zur Qualitätssicherung in der Montage verwendet wird und
- - daß mit der Einrichtung überprüft wird, ob die gewünschten Arbeiten tatsächlich durchge führt wurden.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß an den Arbeitsorten registriert wird, ob die Arbeit richtig ausgeführt wurde und
- - daß weitere Sensoren verwendet werden, die Qualitätsmerkmale der Arbeit erfassen.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Rechner sich am Sensorsystem oder an einer stationären Position befindet und
- - daß die Datenübertragung zwischen Sensorsystem und Datenverarbeitungssystem lei tungsgebunden oder drahtlos erfolgt.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkzeugführer informiert wird, wenn er einen Arbeitsort vergessen oder die Ar
beit hier falsch ausgeführt hat.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Position eines Arbeitsortes auch rückwärts von dem nächsten Arbeitsort bzw. der Ablageposition kontrolliert werden kann.
11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß sich an dem Werkzeug eine Einrichtung befindet, die den Werkzeugführer zum näch sten Arbeitsort oder zu einem Arbeitsort, der vergessen oder falsch ausgeführt wurde, führt.
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DE19901334.9A DE19901334B4 (de) | 1999-01-15 | 1999-01-15 | Einrichtung zur Erfassung der Position eines handgeführten Werkzeugs |
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