DE4021330C2 - Verfahren zum Betrieb eines Roboters und eine Vorrichtung dazu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Roboters an einem fortlaufenden Fließband, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches sowie nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtungen.

Den Werkern wird bei dem kontinuierlichen Fließband-Arbeitslauf die Möglichkeit gewährt, vor- bzw. nachzuarbeiten. Z.B. Personenwagen mit besonders großen Montageumfängen, die durch seltene Sonderausstattungen verursacht sind, lassen sich dadurch ohne nennenswerten Zusatzaufwand in die Fertigung einstreuen. Die Werker gleichen den erhöhten Zeitaufwand an einer einzelnen Karosse selbst aus. Gleiche oder ähnliche Arbeitsmethoden sind in anderen Bereichen denkbar.

Mit der heute zur Verfügung stehenden Montagetechnik könnten viele schwere Tätigkeiten durch Roboter ersetzt werden, die wegen ihrer großen Abmessungen und ihres Gewichtes ortsfest angeordnet sein müssen, also nicht vom Fließband bzw. einer Montage-Plattform (Skid) getragen werden. Hierzu eignen sich Portalroboter, deren Hubsäule mit einem Greifer oder dgl. in mehreren Achsen an einem ortsfesten Portal verfahrbar ist.

Der Einsatz eines bewegten Roboters zur Montage ist durch die US 3,283,918 bekannt, wobei die Übereinstimmung der Geschwindigkeit von Fließband und Roboter nicht zufriedenstellend gelöst ist. Hier wird nämlich ein direkt am Roboter angeordneter Positionsübermittler mechanisch am zu bearbeitenden Werkstück angekoppelt, wodurch beim Synchronisationsvor­ gang immer die aktuelle Lage des Roboters miteingeht. Irgendeine Relativ­ bewegung zwischen dem Roboter sowie dem Werkstück ist hier somit nicht möglich. Ferner kann die notwendige Schnelligkeit zu einer einwandfreien Synchronisation der Antriebe des Werkstückes und des Roboters nicht er­ reicht werden, da durch die hohe träge Masse des nachzusteuernden Robo­ ters auszuregelnde Schleppfehler verursacht werden.

Demgegenüber günstiger ist der aus der GB 2 075 217 A bekannte Stand der Technik, wonach ein Positionsübermittler losgelöst vom Roboter die Lage des Werkstückes an die Steuereinheit des Roboters überträgt und der Roboter über die Steuereinheit sowohl werkstücksynchron als auch relativ zum Werkstück verfahren werden kann. Da jedoch hierbei der Positi­ onsübermittler vom Fließband selbst betätigt wird, können Ungenauigkeiten im Hinblick auf die tatsächliche Lage des Werkstückes auftreten. Ferner ist der Steuerungsaufwand relativ aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, im Hinblick hierauf Verbesserungen auf­ zuzeigen. Diese Verbesserungen ergeben sich aus den im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Merkmalen, vorteilhafte Weiterbildungen so­ wie bevorzugte Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen aufgelistet.

Die Erfindung schlägt ein sog. Master-Slave-Konzept vor. Dabei wird der leichte Positionsübermittler nahezu kraftfrei an das Werkstück angekoppelt und mit diesem mitgeschleppt. Vorzugsweise ist hierfür - wie Anspruch 10 beschreibt - eine Meßvorrichtung in Form einer separaten Trägerachse vorgesehen. Diese Achse fungiert als "Master", der den Roboter führt. Die elektronische Koppelung zwischen dem Master-System und dem Slave-Roboter erfordert dabei innerhalb der Roboter- Steuereinheit einen relativ geringen Rechenaufwand, da u. a. absolute(n) Lagekoordinate(n) des Werkstückes berücksichtigt wird (werden).

Zusätzlich zu den aktuellen Lagekoordinaten wird die aktuelle Transportgeschwindigkeit des Werkstückes bestimmt, um zu verhindern, daß der Lageregelkreis der elektronischen Robotersteuerung bei Erreichen des Lage-Sollwertes die Geschwindigkeit auf Null setzt, was zu einem transportgeschwindigkeitsabhängigen Schleppfehler führen würde.

Zur Reduzierung der Signalverarbeitungsdauer werden die Lagekoordinate(n) und die aktuelle Transportgeschwindigkeit der elektronischen Robotersteuerung in der jeweiligen Schlußphase der Ermittlung einer Roboterbewegung übermitteln. Stets sollen diese Kenngrößen unter Umgehung der zentralen Robotersteuerung im sog. Feininterpolationstakt in eine Lageregelkarte der Robotersteuerung eingespeist werden. Hierdurch kann die Zeit für die Datenübertragung an Schnittstellen sowie für mögliche Sollwertadditionen durch Umgehung der Robotersteuerung, die im Interpolationstakt arbeitet, minimiert werden. Dazu werden im transportsynchronen Betrieb die aktuellen Meßwerte (Lagekoordinaten, Transportgeschwindigkeit) im Feininterpolationstakt zu den Sollwerten des Montageprogramms für die Transportrichtung addiert und danach in den Lageregelkreis der zur Transportrichtung parallelen Achse des Roboters eingespeist. Diese schnelle Signalverarbeitung ist vor allem bei Geschwindigkeitsschwankungen des Förderbandes für eine lagegenaue Synchronfahrt des Roboters entscheidend.

Der Positionsübermittler kann mechanisch an das Werkstück angekoppelt werden; es ist aber auch möglich, ihn "sensorisch" an das Werkstück zu koppeln, wobei diese sensorische Koppelung beispielsweise mit Hilfe eines Glasmaßstabes oder eines berührungslos arbeitenden Sensors erfolgen könnte. Die möglicherweise einfacher zu gestaltende mechanische Kopplung hingegen kann formschlüssig - beispielsweise durch eine elastische Schnappmechanik oder eine pneumatische Einrichtung - oder auch kraftschlüssig erfolgen. In diesem Zusammenhang tritt ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Vorschein. Da mit der Ankoppelung des Positionsübermittlers nur relativ geringe Kräfte verbunden sind, ist es möglich, ihn in unmittelbarer Nähe des Roboter-Arbeitsbereiches am Werkstück anzukoppeln. Hierdurch können durch Toleranzen verursachte Fehler minimiert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat das bewegte Werkstück mindestens einen Meßpunkt, auf den der Positionsübermittler des sich bewegenden Roboters in Übereinstimmung gebracht wird. In Förderbandrichtung werden die Montagepunkte an der Karosse relativ zu diesem Meßpunkt in der zentralen Robotersteuerung bei der Montageprogrammerstellung abgelegt. Bei der Durchführung des Montageprogramms wird diese Koordinate an die Lageregalkarte als Sollwert gegeben und zum aktuellen Lagewert des Meßpunktes, der vom Positionsübermittler kommt, addiert. Daraus ergibt sich der aktuelle Lagesollwert. Diese Addition erfolgt auf der Lageregelkarte. Gemäß der Funktionalität eines gewöhnlichen Lageregelkreises wird dieser neue Sollwert vom Roboter angefahren.

Um auch die Geschwindigkeiten von Roboter und Band zu synchronisieren, wird aus den Werten, die der Positionsübermittler meldet, ein geschwindigkeitsabhängiger Vorhaltewert gebildet und als zusätzlicher Lagesollwert auf der Lageregelkarte zu den beiden anderen Werten addiert. Oder ein Geschwindigkeitssignal wird entsprechend Fig. 3 in den Lageregelkreis der Roboterachse eingespeist. Durch den Vorhaltewert bzw. das Geschwindigkeltssignal wird ein Geschwindigkeltsstellwert entsprechend der Förderbandgeschwindigkeit erzeugt. Dies ist nötig, weil übliche Lageregelkreise bei Erreichen der Sollposition den Geschwindigkeitsstellwert Null an den Motor geben.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß am Portal des Roboters bzw. seinen Stützen parallel zur Förderrichtung eine Meßvorrichtung für den zum Meßpunkt am Werkstück führenden Positionsübermittler angeordnet ist, wobei die Meßvorrichtung eine Meßleiste oder ein endlos umlaufendes Meßband sein kann, das einen Antrieb für den Abnehmer hat, damit dieser nach dem Lösen vom Meßpunkt zum Ausgangspunkt zurückgefahren werden kann. Denkbar ist auch ein rein sensorischer Positionsübermittler, durch den die mechanische Achse auch völlig entfallen kann. Dabei kommen vor allem Lasersensoren (z. B. Laserinterferometer) in Betracht. Der Abnehmer steuert eine Fahreinheit der Portalbrücke des Roboters und kann mit einem Tachometer versehen sein.

In Achsrichtung der Meßvorrichtung können die erforderlichen Kennwerte (Lagekoordinate, Transportgeschwindigkeit) einfach ermittelt werden, wenn die Trägerachse mit einem eigenen Weg- und Geschwindigkeitsmeßsystem ausgestattet ist. Vorzugsweise kommt dabei das dem Roboter-Meßsystem gleiche Meßsystem zum Einsatz, da hiermit aufwendige Umrechnungsvorgänge vermieden werden. Insbesondere empfiehlt es sich hierbei, die Schnittstelle auf der bereits mehrfach angesprochenen Lagerregelkarte der Robotersteuerung so auszulegen, daß die Sollwerte der Robotersteuerung zu den Sollwertvorgaben der Trägerachse des Positionsübermittlers addiert werden, um den Roboter auch relativ zum Werkstück verfahren zu können.

Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang der Einsatz eines verfahrbaren Portalroboters, da hierbei für die Transportsynchronisation eines im wesentlichen horizontal bewegten Werkstückes lediglich eine einzige Achse nachgeführt werden muß. Die bereits erwähnte Ermittlung der weiteren Koordinatenachsen durch den Positionsübermittler oder zusätzliche Sensoren braucht hingegen nur einmal für jedes Werkstück, nämlich am Beginn des Arbeitsvorganges, an die Robotersteuerung übermittelt zu werden.

Im übrigen empfiehlt es sich, die Informationen des Positionsübermittlers auch bei einer Unterbrechung des transportsynchronen Roboterbetriebes aufrechtzuerhalten, um den synchronen Betrieb im Sinne einer absoluten Weginformation nach der Unterbrechung fortsetzen zu können. Während einer derartigen Unterbrechung kann der Roboter beispielsweise von einer Lagerstelle Werkstück-Anbauteile aufnehmen.

Die Vorteile des Master-Slave-Systems sind:

• 1. Universelle Einsetzbarkeit, da beispielsweise in Verbindung mit Portalrobotern die Beweglichkeit des Portals voll erhalten bleibt, der Positionsübermittler frei gestaltet werden kann und die Koppelungseinrichtung Handlingabläufe nicht einschränkt;
• 2. hohe Positioniergenauigkeit durch Ermöglichen der Lageabtastung in Nähe des Montagepunktes oder direkt am Montagepunkt;
• 3. keine zusätzliche Belastung der Werkstück-Förderanlage und des Roboter-Portals;
• 4. geringer Gesamtaufwand an Roboteranlage und Werkstück-Förderanlage;
• 5. hohe Genauigkeit durch schnelle Signalverarbeitung (Umgehen der zentralen Robotersteuerung).

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Förderanlage mit einem Roboter,

Fig. 2 einen Portalroboter mit Positionsübermittler in perspektivischer Darstellung,
fig. 3 ein Steuerungsschema,

Fig. 4 + 5 Portalroboter mit anderen Positionsübermittlern in perspektivischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt eine Förderanlage in Form eines kontinuierlich in Pfeilrichtung laufenden Fließbandes 1 mit daraufliegenden Plattformen 2, den sogenannten Skids, mit denen die zu fertigenden PKW-Karossen 3 über die verschiedenen Montageplätze A bis E gefördert werden. Am Montageplatz C ersetzt ein Roboter 4 einen Werker und hat in die dort auf dem laufenden Fließband 1 stehende Karosserie 3 eine Windschutzscheibe eingesetzt. Die auch in den Fig. 2, 4 und 5 erkennbare Portalbrücke 8 mit einer Hubsäule 10 für einen Greifer 12 ist auf den Längsträgern 6 zum Montageplatz D hin verfahren und wartet dort auf die ankommende Karosse 3, um bei deren Annäherung in Förderrichtung beschleunigt zu werden.

Bei einem Montagevorgang am Beispiel eines mechanischen Positionsübermittlers nach Fig. 2 bewegt sich der Positionsübermittler 14 schneller bzw. langsamer als das Fließband 1, stößt gegen den Meßpunkt 13 der Karosse 3 und koppelt sich dort an (z. B.: Einklicken oder wird durch Antrieb der Masterachse gegen das Werkstück gedrückt).

Auf ein Signal der zentralen Robotersteuerung hin, wird von der Lageregelkarte der vom Positionsübermittler 14 bereitgestellte Wert eingelesen. Die zentrale Robotersteuerung liefert ab diesem Zeitpunkt nur mehr Lagesollwerte, die relativ zum Meßpunkt abgespeichert wurden.

Gemäß dem von der Robotersteuerung kommenden Montageprogramm fährt der Roboter seine Punkte relativ zum Meßpunkt an und führt seine Aufgabe durch. Entsprechend der Lagesollwertvorgaben ergibt sich dabei, daß der Roboter 4 schneller oder langsamer als die Karosse fährt.

Nach Beendigung der Montage wird der Positionsübermittler von der Karosse entkoppelt, zurückgezogen und angehalten. Die Lageregelkarte wird wieder auf normalen Betrieb zurückgestellt. Die Hubsäule 10 mit dem Greifer 12 wird über die Karosse 3 gehoben oder mit der Fahreinheit 11 über die Portalbrücke 8 zur Seite verfahren und die Fahreinheit hält an. Die Karosse 3 fährt an dem Greifer 12 und am Positionsübermittler 14 vorbei, die Portalbrücke 8 und der Positionsübermittler 14 fahren wieder zur Ausgangsposition zurück und sind für die nächste Montagearbeit vorbereitet.

Bei Montage einer Heckscheibe fährt die Karosse 3 am Greifer 12 und am Positionsübermittler 14 vorbei, die danach in den Bereich der Karosse 3 gefahren werden.

Fig. 3 zeigt ein Steuerungsmodell, nach dem der Regelkreis zur Steuerung des Portalroboters aufgebaut ist. Im oberen Bildteil ist der Sollwertgeber 30 dargestellt, der die gewünschte Roboterbewegung plant und über eine Aufbereitungseinheit 31 weiterleitet. Der Sollwert wird dabei über einen Summationspunkt a einem Regler 32 (Algorithmus) zugeführt.

Im unteren Bildteil ist eine Meßwert-Erfassungseinrichtung 40 dargestellt, die den zeitvarianten Ort des Skids erfaßt und über eine Umformeinheit 41 in ein elektrisch kompatibles Signal umgeformt. Dieses erhaltene Signal wird direkt als Lage-Istwert abgegriffen. Zur Skidgeschwindigkeitsmessung wird die Lageinformation im Differenzierglied 42 ausgewertet. Der so erhaltene Geschwindigkeits-Istwert wird rückkoppelnd mit dem Geschwindigkeits-Istwert des Portalroboters verbunden. Der Lage-Istwert des Skids wird mit dem gemessenen Lage-Istwert des Portalroboters verglichen und über einen geeigneten Regelalgorithmus zur Deckung gebracht. Das mechanische System 50 reagiert dann auf das Steuersignal in mit den Größen: Beschleunigungs-Istwert x, Lage-Istwert y, Geschwindigkeits-Istwert z.

Dieses Steuerungsmodell stellt eine sog. Master-Slave-Koppelung zwischen der Karosse und dem Portalroboter dar. Der geplanten Roboterbewegung wird somit eine gemessene Geschwindigkeit überlagert. In der Realität treten jedoch bei der Meßwerterfassung Verzögerungen auf, die zum einen durch die Meßwertaufbereitung entstehen und zum anderen durch den Signaltransport über die verschiedenen Schnittstellen begründet ist. In dieser dargestellten Steuerung werden die Meßwerte in aufbereiteter Form nach einer Totzeit im Feininterpolationstakt in den eigentlichen Steuerungsregelkreis eingespeist und verarbeitet mit dem Ziel, Lage und Geschwindigkeit des Portals mit der Lage und Geschwindigkeit des Skids zu synchronisieren.

Fig. 4 zeigt einen Portalroboter 4 mit Stützen 5 für ein aus Längsträgern 6 und Querträgern 7 gebildetes Portal für eine Portalbrücke 8, die mit Fahreinheiten 9 auf den Längsträgern 6 verfahrbar ist. Auf der Portalbrücke 8 ist eine Hubsäule 10 für den nicht gezeichneten Greifer mittels einer Fahreinheit 11 verfahrbar. Zwischen der vorderen und hinteren Stütze 5 ist eine Meßleiste 15a für den daran verschiebbaren Positions-Übermittler 14 befestigt. Dieser wird über den Meßpunkt 13 mit der Karosse 3 verbunden und auf der Meßleiste 15a verschoben, wobei die Geschwindigkeit der Fahreinheit 9 gesteuert wird. Nach Beendigung der Montagearbeit wird der Positions-Übermittler 14 vom Meßpunkt 13 gelöst und von einem Antrieb 17 zur Ausgangslage zurückbewegt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der Positionsübermittler 14 an einem endlos umlaufenden Meßband 15b befestigt, das ebenfalls an den Stützen 5 angeordnet ist und nach Beendigung der Montagearbeiten vom Antrieb 17 in die Ausgangslage zurückbefördert wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betrieb eines an einem bewegten Werkstück arbeiten­ den, insbesondere große Teile, beispielsweise von Kraftfahrzeugen, auf einem fortlaufenden Fließband (1) montierenden Roboters (4), der mit dem Fließband (1) über den Bereich je eines Montageplatzes (C) mitfährt und nach Beendigung der Arbeit an dem Werkstück (3) zum Anfang des Arbeitsbereiches zurückfährt, wobei am Werkstück (3) oder seinem Werkstückträger (2) ein von diesem mitbewegter Positi­ onsübermittler (14) angekoppelt wird, dessen aktuelle Lage und Ge­ schwindigkeit bestimmt werden und die Lagekoordinate(n) und die aktuelle Transportgeschwindigkeit unter Umgehung der zentralen Ro­ botersteuerung im Feininterpolationstakt in eine Lageregelkarte der Robotersteuerung eingespeist werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagekoordinate(n) und die aktuelle Transportgeschwindigkeit der elektronischen Robotersteuerung in der jeweiligen Schlußphase der Ermittlung einer Roboterbewegung übermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsübermittler (14) mecha­ nisch an das Werkstück (3) angekoppelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsübermittler (14) sensorisch an das Werkstück (3) angekoppelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsübermittler (14) nahe des Roboter-Arbeitsbereiches an das Werkstück (3) angekoppelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboter (4) an dem Anfang seines Arbeitsplatzes (C zwischen A und E) vorbeschleunigt wird, bis sein Positionsübermittler (14) mit dem Meßpunkt (13) des Werkstückes (3) übereinstimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbeschleunigung durch einen Sensor ausgelöst wird und nicht mit der Geschwindigkeit des Fließ­ bandes (1) übereinstimmt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Stützen (5) des Roboters (4) parallel zum Fließband (1) eine Meßvorrichtung (15) für den zu dem Meß­ punkt (13) an dem Werkstück (3) führenden Positionsübermittler (14) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (15) eine Meßleiste (15a) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (15) ein endloses umlaufendes Meßband (15b) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (15) einen Antrieb (17) für den Positionsübermittler hat.