EP1537011A2 - Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines bewegten werkstücks, insbesondere einer fahrzeugkarosserie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines bewegten werkstücks, insbesondere einer fahrzeugkarosserie

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EP1537011A2
EP1537011A2 EP03797275A EP03797275A EP1537011A2 EP 1537011 A2 EP1537011 A2 EP 1537011A2 EP 03797275 A EP03797275 A EP 03797275A EP 03797275 A EP03797275 A EP 03797275A EP 1537011 A2 EP1537011 A2 EP 1537011A2
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EP
European Patent Office
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machining
sensor
robot
processing
processing tool
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03797275A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Kolb
Helmut Kraus
Thomas Stahs
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VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme GmbH
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
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Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1537011A2 publication Critical patent/EP1537011A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • Y10T29/53022—Means to assemble or disassemble with means to test work or product

Definitions

  • Method and device for machining a moving workpiece in particular a vehicle body
  • the invention relates to a method for machining a moving workpiece, in particular a vehicle body moved by means of a conveyor belt, according to the preamble of claim 1, as is known, for example, from DE 195 20 582 Cl.
  • the invention further relates to a processing system for performing this method.
  • Such synchronization can be achieved, for example, by mechanically coupling the processing or assembly robot to the conveyor belt.
  • a mounting system is known from US Pat. No. 3,283,918 in which the robot is track-synchronized to the assembly line with the aid of a mechanical device while the programmed work is being carried out.
  • a laterally projecting driving pin is arranged on each workpiece moved on the conveyor belt itself or on a workpiece carrier, to which the industrial robot is coupled.
  • the disadvantage here is that despite the two-way synchronism forced by the mechanical coupling between the industrial robot and the workpiece, there are still relative movements between them which prevent an exact work operation. These inaccuracies add up to relative movement deflections which exceed the positional correspondence required or tolerable for a mechanized joining, machining or welding process.
  • the invention is therefore based on the object of further developing the known method for robot-assisted machining of a moving workpiece in such a way that a relative position of a robot-guided machining tool to the moving workpiece can be set and maintained in a process-reliable manner up to the execution of the actual machining task.
  • the invention is also based on the object of proposing a processing system suitable for carrying out the method.
  • the robot-guided processing tool is provided with a sensor system which is firmly connected to the processing tool.
  • the machining tool is first brought into a so-called “approximate position” relative to the workpiece (permanently programmed, independent of the current position of the workpiece in the robot's work area). Starting from this approximate position, a control process is run through, in the course of which the machining tool is converted into a “ Working position "is moved, in which the machining tool and / or an attachment held in the machining tool is aligned precisely with respect to the workpiece.
  • the sensor system In the course of the control process, the sensor system generates (actual) measured values of selected reference areas on the workpiece and / or on the attachment; these (actual) measured values are compared with (target) measured values. that were generated in a previous setup phase.
  • the processing tool is then shifted by a displacement vector (comprising linear displacements and / or rotations), which is calculated using a so-called “Jacobi matrix” (or “sensitivity matrix”) from a difference between the (actual) and (target) measurement values.
  • Both the (target) measurement values and the Jacobian matrix are determined in the course of a set-up phase - upstream of the actual positioning and assembly process - in which the processing tool is tailored to the specific assembly task (i.e. a specific combination of processing tool, sensor system, body type and type and installation position of the add-on part to be used).
  • Processing is understood to mean any processing, assembly or measurement process that is to be carried out on the moving object.
  • processing is intended to mean any joining process on the moving object (welding operations in the body-in-white, application of adhesive in the final assembly, ...), band-synchronous assembly processes
  • the machining tool is aligned in the desired working position with respect to the moving workpiece.
  • a periodic repetition of this control process results in a periodic (re) alignment of the machining tool with respect to the workpiece, so that the machining tool “tracks” the moving workpiece.
  • the machining tool can perform various machining and / or assembly operations on the moving workpiece ; At any time during these machining or assembly operations, a precise alignment of the machining tool with the workpiece can be guaranteed. For this purpose, no (absolute) information about the current speed of the assembly line, the position and orientation of the moving workpiece in the working area of the robot etc. is necessary.
  • the method according to the invention is based on relative measurements of the sensor system, within the framework of which information (stored in the set-up phase) - corresponding to a set of (target) measured values of the sensor system - is restored about the control process.
  • the sensors used do not need to be calibrated.
  • there is no need for internal metric calibration of the sensors since the sensors used are no longer “measuring”, but only react to a monotonous incremental movement of the robot with a monotonous change in their sensor signal. This means, for example, that when using a television or CCD camera as sensor, the camera-internal lens distortions do not have to be compensated for or that the exact metric calculation of distance values is omitted when using a triangulation sensor.
  • no external metric calibration of the sensors is necessary.
  • the position of the sensors in relation on the working space of the robot or the coordinate system of the robot hand need not be determined in order to be able to calculate suitable correction movements, the sensors merely have to be attached to the processing tool in such a way that they are suitable in their capture area at all e Can record measurement data of the reference areas on the body and / or an add-on part.
  • the number of degrees of freedom of position of the machining tool with respect to the moving workpiece can be freely selected and depends only on the configuration of the sensor system.
  • the number of sensors used can also be freely selected.
  • the number of (scalar) sensor information provided need only be equal to or greater than the number of degrees of freedom to be controlled.
  • a larger number of sensors can be provided and the redundant sensor information can be used to e.g. To be able to better detect form errors of the workpiece area under consideration or to improve the accuracy of the positioning process.
  • sensor information from different - preferably non-contact - sources can be used (e.g. a combination of CCD cameras, optical gap sensors and triangulation sensors for distance measurement).
  • the measurement results of different quality-relevant sizes can be taken into account.
  • the method according to the invention can be very easily adapted to new problems, since only the sensor data acquisition and processing, but not the regulating system core, has to be adapted.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of a processing system for processing on a conveyor belt moving vehicle body in different process phases:
  • Fig. La feeding the body Fig. 1b processing the body (gluing a roof module);
  • FIG. 2 shows schematic sectional views of the machining system and the moving body of FIG. 1 in different process phases: FIG. 2a: working position of the machining tool relative to the moving body; 2b: approximate position of the processing tool with respect to the moving body;
  • FIG. 1 a shows a top view of a processing system 4, in which roof modules 3 are glued into roof sections 2 of vehicle bodies 1.
  • the vehicle bodies 1 are fed to the processing system 4 on a conveyor belt 10 and are continuously conveyed on the conveyor belt 10 through the work space 6 of the processing system 4 during the roof module assembly (arrow direction 11).
  • Each roof module 3 is fed by a robot 7 and is provided in its edge area with an adhesive bead 29, by means of which the roof module 3 is connected to the roof cutout 2 of the body 1.
  • the roof module 3 In order to be able to assemble the roof module 3 in a process-reliable manner in the body 1 moved on the conveyor belt 10, the roof module 3 must be aligned precisely (in terms of position and angular position) with respect to the roof cutout 2 of the moving body 1; in particular, a gap 21 present between the roof module 3 and the adjacent roof areas 9 must have a dimension that is as uniform as possible (see FIG. 2a).
  • the adjacent roof areas 9 form a so-called reference area for aligning the roof module 3 with respect to the body 1.
  • This relative alignment between Roof module 3 and roof cutout 2 must be maintained during the assembly-relevant process steps, i.e. the roof module 3 must be held in this relative orientation to the roof cutout 2 (or pressed onto the roof cutout 2) until the adhesive has cured in order to achieve the desired gap size.
  • the roof module 3 is installed in the body 1 with the aid of a processing tool 5 guided by the industrial robot 7, which brings the roof module 3 to the moving body 1 and positions it precisely in relation to the roof cutout 2 of the body 1.
  • a control system 20 is provided for controlling the position and movement of the robot 7 and the machining tool 5.
  • the processing tool 5 is fastened to the hand 12 of the industrial robot 7 and comprises a frame 13 to which a fixing device 14 is fastened, by means of which the roof module 3 can be received in a well-defined position.
  • the fixing device is formed by a plurality of vacuum suction cups which engage on the upper side 22 of the roof module 3.
  • the processing tool 5 is provided with a sensor system 18 with a plurality of sensors 19 which are rigidly connected to the frame 13 of the processing tool 5; they thus form a structural unit with the processing tool 5.
  • These sensors 19 serve to determine joint, gap and depth dimensions between the reference areas 9 of the roof cutout 2 and the adjacent reference areas 17 of the roof module 3.
  • the roof module 3 held in the processing tool 5 is - as described further below aligned in an iterative control process with respect to the roof cutout 2 of the body 1 and held in this orientation during the entire assembly process.
  • the roof module assembly in a new vehicle type - a so-called setup phase must first be carried out in which the machining tool 5 is configured.
  • a fixing device 14 adapted to the roof module 3 to be assembled, a suitably designed frame 13 and a sensor system 18 with corresponding sensors 19 are selected and assembled.
  • the sensor system 18 of the machining tool • -5 is “taught in” by — as described below under I. — (target) measurement values of the sensor system 18 on a stationary “master” body 1 ′ and a “ Master "roof module 3 'are recorded and the controlled to be traversed path sections of a path 16 of the robot 7 are programmed.
  • the machining system 4 configured and measured in this way is ready for series use, in which a machining chamber 6 of the machining system 4 is fed for each Body 1 is run through a so-called work phase, in which - as described below under II. - An associated roof module 3 is positioned and fastened in the roof cutout 2 of the body 1.
  • a sensor system 18 adapted to the machining task is first selected for the machining tool 5 in a first step and together with the fixing device 14 on the frame
  • Such an “optimal” alignment can be defined, for example, by the gap 21 between the (“master”) roof module 3 'and the (“master”) body 1' being as uniform as possible, or by the gap 21 in certain regions
  • the relative position of the machining tool 5 with respect to the (“master”) body 1 ' is referred to below as the “working position” 23.
  • the number and the position of the sensors 19 in the sensor system 18 is selected such that the sensors 19 are directed to suitable areas 9, 17 of the (“master”) body 1 ′ or the (“ Master "-) roof module 3 '.
  • two optical area sensors 19 are shown symbolically, both of which point to the mutually adjacent edges 33, 34 of the (" master ") body 1' and of the (" master "-) roof module 3 '. From the images recorded by the sensors, the courses of the edges 33, 34 in the image field of the sensors 19 and the dimensions of the gap 21 are calculated in the evaluation unit 26.
  • further sensors can be provided, which For example, measure a (depth) distance between ("master" -) body 1 'and ("master” -) roof module.
  • the processing tool 5 with the sensor system 18 and with the ("master") roof module 3 'held in the fixing device 14 is now moved with the help of the robot 7 to the position (set by the manual or interactive alignment, shown in FIG. 2a) ) Working position 23 with respect to the (“master”) body 1 ′ “taught in.”
  • measured values of all sensors 19 are recorded in working position 23 and stored as “target measured values” in an evaluation unit 26 of sensor system 18; this sensor evaluation unit 26 is expediently in the control system 20 of the robot 7 integrated.
  • the Jacobian matrix generated in the set-up phase is stored together with the “target measured values” in the evaluation unit 26 of the sensor system 18. These data form the basis for the later positioning process of the machining tool 5 relative to the moving body 1 and the highly precise, controlled movement tracking of the Body 1 through the processing tool 5 in the working phase (see below under II.).
  • a path 16 of the robot hand 12 (and thus of the machining tool 5) is generated in the set-up phase. rated, which will be run in a controlled manner in the later work phase II.
  • This trajectory 16 is shown schematically in Figure 3.
  • the starting point of the trajectory 16 is a so-called “retreat position” 30, which is selected such that there is no risk of collisions between the machining tool 5 or the roof module 3 held therein with the bodies 1 moved on the conveyor belt 10. (Not shown in the figures) correspond to the loading station in which the roof module 3 is received by the assembly tool 5 and in which adhesive beads 29 are applied to selected areas 28 of the underside of the roof module with the aid of an adhesive robot (not shown in FIGS. 1 a and 1 b) ,
  • the travel path 16 comprises the following separate sections:
  • the processing tool 5 with the roof module 3 inserted is moved on a path Al to be controlled from the retraction position 30 to a fixed, so-called “proximity position” 27, which is selected such that all the individual sensors 19 of the sensor system 18 have valid measured values of the respective area 9 , 17 of the roof module 3 and / or the body 1, while at the same time ensuring that no collisions of the machining tool 5 or the roof module 3 with the body 1 can occur (see FIG. 2b).
  • A-2 The processing tool 5 with the roof module 3 inserted is moved on a path A-2 to be run through in the later working phase in a controlled manner from the approach position 27 to the (taught-in "position” as described above) in which the roof module held in the processing tool 5 3 is aligned precisely in terms of position and angle with respect to the roof cutout 2 of the body 1. What is regulated during this process Steps that take place in detail are described below (in II. Work phase).
  • control system 20 of the robot 7 emits a signal by means of which the aligned tracking of the moving body 1 by the machining tool 5 is ended.
  • the machining tool 5 is then moved back into the withdrawal position 30 in a robot-controlled manner.
  • the trajectory 16 of the machining tool 5 generated in the course of the set-up phase thus consists of two sections A1 and C to be controlled and two sections A-2 and B to be controlled. Steps A1 and C can be entered interactively during the learning phase of the machining tool 5, or they can be stored in the form of an (off-line generated) program in the control system 20 of the robot 7.
  • bodies 1 are sequentially guided through the work space 6 of the processing system 4 on the conveyor belt 10; is in each of these moving bodies 1 with the help of the processing system 4 - using the in the setup phase I. learned travel path 16 - a roof module 3 provided with an adhesive bead 29 positioned precisely in relation to the roof cutout 2 and installed in the moving body 1 in this relative orientation.
  • the processing tool 5 When the new body 1 is being fed in, the processing tool 5 is in the retracted position 30 and there takes up a roof module 3 to be fitted with adhesive 29 (see FIG. 1 a). As soon as the new body 1 has been moved into the work space 6 (and has, for example, passed through a light barrier), the control system 20 of the robot 7 receives a signal which triggers the travel path section A-1. The processing tool 5 with the roof module 3 inserted is moved in a controlled manner into the (fixed) approach position 27 of FIG. 2b, which - as mentioned above - was chosen such that the roof cutout 2 (or the reference areas 9) of the moving body 1 - is independent of the exact position of the body on the conveyor belt 10 - in the capture area of the sensors 19 of the machining tool 5.
  • Track section A-2 (positioning phase of machining tool 5):
  • a positioning phase (path section A-2 in FIG. 3) of the processing tool 5 is run through, during which the roof module 3 held in the processing tool 5 is brought into the working position 23 (learned during the learning phase I) relative to the moving body 1 and is aligned precisely in relation to the roof cutout 2.
  • the sensors 19 of the sensor system 18 record measured values in selected areas 9, 17 of the roof module 3 and the body 1.
  • a movement increment (displacement vector) is calculated, which reduces the difference between the current (actual) sensor measurement values and the (target) sensor measurement values.
  • the roof module 3 held in the processing tool 5 is then moved and / or pivoted by this movement increment with the aid of the robot 7, and new (actual) sensor measured values are recorded during the ongoing movement.
  • This iterative measuring and shifting process is repeated in a control loop until the difference between the current (actual) and the desired (target) sensor measured values falls below a predetermined error level, or until this difference no longer exceeds one in advance set threshold changes.
  • the roof module 3 is now (within the accuracy specified by the error measure or threshold value) in the working position 23 (shown in FIG. 2a) relative to the body 1.
  • the iterative minimization carried out in this positioning phase A-2 eliminates inaccuracies of the body 1 with regard to its position and orientation on the conveyor belt 10 as well as any shape errors of the roof section 2 of the body 1 (ie deviations from the (“master”) body 1 ′ Simultaneously, inaccuracies of the roof module 3 with regard to its position and orientation in the processing tool 5 and any existing shape errors of the roof module 3 are compensated for (ie deviations from the (“master”) roof module 3 ') -
  • a periodic repetition of the measurement value recording and the control process continues achieves that the movement of the body 1 in the working space 6 of the machining system 4 is compensated, so that the robot-guided machining tool 5 "follows" the body 1.
  • Such a reliable "tracking" of the body 1 by the machining tool 5 only requires that changes in the relative position between n Body 1 and robot 8 are slower than the measurement and position control the combination of sensor system 18 and processing tool 5 (or robot hand 12).
  • the roof module 3 is — in an “optimal” manner — fitted into the roof cutout 2 of the body 1, independently of the movement of the body 1.
  • Additional sensors that are not required for the actual positioning task
  • the measured values of the individual sensors 19 can be provided with different weighting factors in order to optimize the weight of the position of the roof module 3 bring about the roof cutout 2 of the body 1.
  • An important feature of the positioning phase A-2 is its independence from robot accuracy: Since the positioning process is based on an iterative comparison of the (actual) measured values with (target) measured values, any positional inaccuracy of the robot 7 is immediately compensated by the iterative Control process compensated.
  • the roof module 3 is connected to the body 1.
  • the processing tool 5 follows the moving body 1 in a controlled manner in that the sensors 19 - in continuation of the process step A-2 - periodically record measured values of the areas 9 on the body 1 in an iterative control loop and with the target values stored in the evaluation unit 26 Compare data; If there are differences between the target and actual values - which is to be expected with a moving body 1 - then the load is corrects the robot hand 12 analogously to the control process described in A-2 in order to keep these differences as small as possible.
  • the roof module 3 is now held in the desired (corresponding to the working position 23) relative position to the roof cutout 2 by means of the fixing device 14 or with a predetermined (or controlled) force on the roof cutout 2 pressed. Is the gelling or Hardening time of the adhesive 29 passed, the roof module 3 is released by the fixing device 14.
  • the process-related alignment of the roof module 3 on the moving body 1 is therefore carried out exclusively by the iterative control process described above, i.e. based on the on-line measurement data acquisition and evaluation by the sensor system 18. Therefore, a mechanical coupling of the processing tool 5 to the conveyor belt 10 is not necessary, nor does the control system 20 of the robot 7 need in any (electrical / electronic) manner with the controller of the conveyor belt.
  • a position control loop is preferably carried out periodically at predetermined (as short as possible) time intervals during the tracking phase B in order to keep the tool 5 permanently aligned with the roof cutout 2. If this is not possible (because, for example, the tool 5 has to be led out of the roof area for a short time in order to make this area accessible for other tools), the robot hand 12 can carry out a short “blind run” in which the estimated advance of the body 1 is appreciated.
  • Track section C (retraction of processing tool 5):
  • the controlled tracking movement described under B by means of which the processing tool 5 is coupled to the transport movement of the body 1, is terminated.
  • the processing tool 5 is moved back along the travel path C in a robot-controlled manner into the retract position 30 and is equipped with a new roof module 3 there.
  • the sensor system 18 can be used to ensure a highly precise alignment of the roof module 3 in the processing tool 5.
  • the processing system 5 - in the course of a set-up phase which is analogous to that under I. described setup phase runs - taught in a "pick-up position", which corresponds to a predetermined position / orientation of the processing tool 5 (and thus the sensors 19 of the sensor system 18) relative to the roof module 3.
  • the roof module 3 is the processing system 4, for example, in one (in the Workpieces (not shown in figures) An automated process for removing a roof module from a workpiece carrier in the correct position is described in (PCT patent application, our file P803860).
  • the high-precision alignment of the roof module 3 in the machining tool 5 is particularly recommended when the roof module dul 3 in the loading station - ie before the insertion into the moving body 1 described above - with the help of the processing tool 5 on a controlled path along an adhesive tool (for example an adhesive robot) which glues the bead 29 onto the desired areas 28 of the roof module 3 applying.
  • an adhesive tool for example an adhesive robot
  • the processing tool 5 only has to be aligned with the reference areas 9 of the body 1; the position of the reference areas 17 of the roof module 3 is known due to the positionally correct mounting of the roof module 3 in the tool 5, so that these features no longer need to be recorded during the work phase II.
  • the roof module 3 can be received “inaccurately” in terms of its position / orientation (ie without high-precision alignment of the tool 5 with respect to the roof module 3) in the machining tool 5. This is recommended, for example, in cases where the roof module 3 is at the time When it is received by the processing tool 5, it is already provided with an adhesive bead 29. In this case, during the work phase II. during the positioning phase A-2 (and the tracking phase B), measurement data are recorded by both the roof module 3 and the body 1 Because of this relative positioning during work phase II. the "inaccurate" mounting of the roof module 3 in the tool 5 has no influence on the positioning accuracy of the roof module 3 in the roof cutout 2.
  • a TCP / IP interface is advantageously used in the present exemplary embodiments, which enables a high data rate.
  • Such a high data rate is necessary in order to be able to cope with regulation of the overall system (sensor system / robot) with the large number of individual sensors 19 in the interpolation cycle of the robot 7 during the positioning and tracking phases A-2 and B to be carried out in a controlled manner.
  • the method can be transferred to any other machining operations in which a workpiece 1 is to be machined with high precision using a robot-guided machining tool 5.
  • the method is particularly suitable for the assembly of windshields in moving vehicle bodies.
  • robot-guided machining tools are to be understood quite generally as tools that are mounted on a multi-axis manipulator, in particular a six-axis industrial robot 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines bewegten Werkstücks (1), insbesondere einer mittels eines Transportbandes (10) bewegten Fahrzeugkarosserie (1). Hierzu wird ein Bearbeitungswerkzeug (5) verwendet, das an der Hand (12) eines Roboters (7) befestigt ist und ein fest mit dem Bearbeitungswerkzeug (5) verbundenes Sensorsystem (18) mit mindestens einem Sensor (19) umfasst. Während der Bearbeitung folgt das Bearbeitungswerkzeug (5) dem bewegten Werkstück. Diese Verfolgungsbewegung beruht auf einem Regelungsprozess, bei dem das Bearbeitungswerkzeug (5) mit Hilfe von Messdaten des Sensorsystems (18) periodisch an Referenzbereichen (9) des bewegten Werkstücks (1) ausgerichtet wird. Die Messdaten des Sensorsystems (18) werden mit Soll-Daten verglichen, die im Rahmen einer Einrichtphase (I.) des Bearbeitungswerkzeugs (5) erzeugt werden, und aus der Differenz zwischen Messwerten und Solldaten wird unter Verwendung einer im Rahmen der Einrichtphase berechneten Jacobi-Matrix ein Verschiebungsvektor des Bearbeitungswerkzeugs (5) berechnet, um den das Bearbeitungswerkzeug (5) verschoben wird. Dieser Prozess wird in einer Regelschleife wiederholt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines bewegten Werkstücks, insbesondere einer Fahrzeugkarosserie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines bewegten Werkstücks, insbesondere einer mittels eines Transportbandes bewegten Fahrzeugkarosserie, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE 195 20 582 Cl als bekannt hervorgeht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bearbeitungssystem zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Großserienfertigung von Kraftfahrzeugen, insbesondere in der (End-) Montage, werden oftmals kontinuierlich bewegte Transportbänder verwendet, auf denen Fahrzeugkarosserien aufeinanderfolgenden Bearbeitungs- und Montagestationen zugeführt werden. In diesen Bearbeitungs- und Montagestationen werden die Karosserien typischerweise vom Transportband ausgekoppelt und in getaktete Stationen verschoben, damit der eigentliche Bearbeitungs- bzw. Montageprozess an einer stationären Karosserie erfolgen kann. Dabei erfordert jeder Übergang vom kontinuierlichen Transport in eine getaktete Station Beschleunigungsstrecken und unter Umständen Puffer, was mit einem erhöhten Platzbedarf einhergeht. Weiterhin ist es sehr aufwendig, eine automatisierbare Bearbeitungs- bzw. Montagestation in eine bestehende, kontinuierlich fördernde Montagelinie zu integrieren, weil das Transportband hierzu aufgetrennt werden muss.
Daher besteht ein großes Interesse daran, automatisierte (d.h. robotergeführte) Bearbeitungs- und Montageumfänge direkt am bewegten Objekt durchzuführen. Hier tritt allerdings die Schwierigkeit auf, dass ein dabei zum Einsatz kommender Bearbeitungs- bzw. Montageroboter an die Vorschubbewegung des Transportbandes gekoppelt sein muss, um eine Synchronisierung des robotergeführten Bearbeitungs- oder Montagewerkzeugs mit der bewegten Karosserie zu erreichen. Diese Ankopplung muss umso genauer erfolgen, je höher die Genauigkeitsanforderungen des Bearbeitungs- bzw. Montageprozesses ist.
Eine solche Synchronisation kann beispielsweise durch eine mechanische Ankopplung des Bearbeitungs- bzw. Montageroboters an das Transportband erreicht werden. Aus der US 3 283 918 ist ein Montagesystem bekannt, in dem der Roboter während der Durchführung der programmierten Arbeit mit Hilfe einer mechanischen Einrichtung bandsynchron zum Montageband nachgeführt wird. Um einen Gleichlauf zwischen dem Industrieroboter und dem Werkstück herbeizuführen, ist an jedem auf dem Förderband bewegten Werkstück selbst oder an einem Werkstückträger jeweils ein seitlich abragender Mitnahmezapfen angeordnet, an den der Industrieroboter angekoppelt wird. Nachteilig ist dabei, dass trotz des durch die mechanische Kopplung zwischen Industrieroboter und Werkstück erzwungenen beiderseitigen Gleichlaufs immer noch Relativbewegungen zwischen ihnen vorkommen, die eine exakte Arbeitsoperation verhindern. Diese Ungenauigkeiten summieren sich zu relativen Bewegungsausschlägen, welche die für einen mechanisierte Füge-, Bearbeitungs- oder Schweißvorgang erforderliche bzw. tolerierbare Lageübereinstimmung überschreiten.
Andererseits ist aus der gattungsbildenden DE 195 20 582 Cl eine Anordnung zur regelungstechnischen Synchronisierung eines Roboters mit einem Montageband bekannt . In diesem System ist am Montageroboter ein Relativlageregler mit einer Messeinrichtung vorgesehen, die innerhalb einer kurzen Ausregelstrecke die Position eines vom Werkstück mitgeschleppten Mitnehmers bestimmen kann. Dadurch soll eine hohe Relativgenauigkeit zwischen dem Montageroboter und dem bewegten Werkstück erreicht werden. Nachteilig bei dieser regelungstechnischen Synchronisation des Roboters gegenüber dem Transportband ist, dass am vorbeifahrenden Werkstück mit Hilfe einer einmaligen Messung eine Positionsinformation gewonnen wird, die dann mit Hilfe weiterer Informationen (wie Bandgeschwindigkeit und Vorschubrichtung) bis zum MontageZeitpunkt extrapoliert wird. In der eigentlichen Kontaktsituation liegt dann nur eine indirekte Positionsinformation vor, was zu erhöhten Ungenauig- keiten führen kann und - zum Beispiel im Falle eines unerwarteten Bandstillstands - einen erhöhten Synchronisationsbedarf mit der umliegenden Steuerung mit sich zieht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur roboterunterstützten Bearbeitung- eines , bewegten Werkstücks dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Relativlage eines robotergeführten Bearbeitungswerkzeugs zum bewegten Werkstück - bis hin zur Durchführung der eigentlichen Bearbeitungsaufgabe - prozesssicher eingestellt und beibehalten werden kann. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Bearbeitungssystem vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst .
Erfindungsgemäß ist das robotergeführte Bearbeitungswerkzeug mit einem Sensorsystem versehen, das fest mit dem Bearbeitungswerkzeug verbunden ist . Das Bearbeitungswerkzeug wird zunächst robotergesteuert in eine (fest einprogrammierte, von der aktuellen Lage des Werkstücks im Arbeitsraum des Roboters unabhängige) sogenannte „Näherungsposition" gegenüber dem Werkstück gebracht . Ausgehend von dieser Näherungsposition wird ein Regelprozess durchlaufen, im Zuge dessen das Bearbeitungswerkzeug in eine sogenannte „Arbeitsposition" bewegt wird, in der das Bearbeitungswerkzeug und/oder ein im Bearbeitungswerkzeug gehaltenes Anbauteil lagegenau gegenüber dem Werkstück ausgerichtet ist. Im Zuge des Regelprozesses werden vom Sensorsystem (Ist-) Messwerte ausgewählter Referenzbereiche auf dem Werkstück und/oder auf dem Anbauteil erzeugt; diese (Ist-) Messwerte werden mit (Soll-) Messwerten vergli- chen, die in einer vorausgehenden Einrichtphase erzeugt wurden. Anschließend wird das Bearbeitungswerkzeug um einen Verschiebungsvektor (umfassend Linearverschiebungen und/oder Drehungen) verschoben, der unter Zuhilfenahme einer sogenannten „Jacobimatrix" (oder „Sensitivitätsmatrix" ) aus einer Differenz zwischen den (Ist-) und (Soll-) Messwerten berechnet wird. Sowohl die (Soll-) Messwerte als auch die Jacobimatrix werden im Rahmen einer - dem eigentlichen Positionier- und MontageVorgang vorgeschalteten - Einrichtphase ermittelt, im Rahmen derer das Bearbeitungswerkzeug auf die konkrete Montageaufgabe (d.h. eine konkrete Kombination, aus Bearbeitungswerkzeug, Sensorsystem, Karosserietyp und Art und Einbauposition des einzusetzenden Anbauteils) eingelernt wird.
Unter „Bearbeitung" sollen hierbei beliebige Bearbeitungs-, Montage- oder Messvorgänge verstanden werden, die an dem bewegten Objekt durchgeführt werden sollen. Insbesondere soll der Begriff „Bearbeitung" beliebige Fügevorgänge am bewegten Objekt (Schweißoperationen im Rohbau, Aufbringen von Klebstoff in der Endmontage, ...), bandsynchrone Montagevorgänge
(Einbau von Scheiben, Dachmodulen etc. in der Fahrzeugmontage etc.) sowie prozessbegleitende Qualitätssicherheitsmaßnahmen
(Mess- und Prüftechnik im Produktionstakt) umfassen.
Im Zuge des oben beschriebenen Regelvorgangs wird das Bearbeitungswerkzeug in der gewünschten Arbeitsposition gegenüber dem bewegten Werkstück ausgerichtet. Durch eine periodische Wiederholung dieses Regelvorgangs erfolgt eine periodische (Neu-) Ausrichtung des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem Werkstück, so dass das Bearbeitungswerkzeug das bewegte Werkstück „verfolgt" . Während dieser bandsynchronen Verfolgung können von dem Bearbeitungswerkzeug diverse Bearbeitungsund/oder Montageoperationen an dem bewegten Werkstück durchgeführt werden; zu jedem Zeitpunkt während dieser Bearbeitungs- bzw. Montageoperationen kann dabei eine lagegenaue Ausrichtung des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem Werkstück gewährleistet werden. Hierzu sind keinerlei (Absolut-) Informationen über die momentane Geschwindigkeit des Montagebandes, die Lage und Ausrichtung des bewegten Werkstücks im Arbeitsraum des Roboters etc. notwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht nämlich auf Relativmessungen des Sensorsystems, im Rahmen derer eine (in der Einrichtphase hinterlegte) Information - entsprechend einem Satz von (Soll-) Messwerten des Sensorsystems - über den Regelvorgang wiederhergestellt wird.
Da zur Durchführung des Verfahrens keinerlei Absolutmessungen benötigt werden, brauchen auch die verwendeten Sensoren nicht kalibriert zu werden. Insbesondere kann auf eine interne metrische Kalibrierung der Sensoren verzichtet werden, da die zum Einsatz kommenden Sensoren nicht mehr „messen", sondern lediglich auf eine monotone Inkrementalbewegung des Roboters mit einer monotonen Änderung ihres Sensorsignals reagieren. Dies bedeutet beispielsweise, dass bei Verwendung einer Fernseh- bzw. CCD-Kamera als Sensor die kamerainternen Linsenverzeichnungen nicht kompensiert werden müssen bzw. dass bei Verwendung eines Triangulationssensors die exakte metrische Berechnung von Abstandswerten entfällt. - Weiterhin ist keine externe metrische Kalibrierung der Sensoren notwendig. Das bedeutet, dass die Lage der Sensoren in bezug auf den Arbeitsraum des Roboters bzw. das Koordinatensystem der Roboterhand nicht ermittelt zu werden brauchen, um geeignete Korrekturbewegungen berechnen zu können. Die Sensoren müssen lediglich in einer solchen Weise am Bearbeitungswerkzeug befestigt werden, dass sie in ihrem Fangbereich überhaupt geeignete Messdaten der Referenzbereiche auf der Karosserie und/oder eines Anbauteils erfassen können.
Das Ergebnis der Bahnverfolgung des bewegten Werkstücks ist weiterhin unabhängig von der absoluten Positioniergenauigkeit des verwendeten Roboters und dem Wissen über den Bewegungsablauf des Transportbandes, da eventuelle Roboterungenauigkei- ten bzw. Änderungen der Bandgeschwindigkeit beim periodischen Anfahren bzw. Nachregeln der Arbeitsposition ausgeregelt werden. Aufgrund der daraus resultierenden kurzen Fehlerketten ist eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit bei der Bahnverfolgung erzielbar.
Die Anzahl der Positionsfreiheitsgrade des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem bewegten Werkstücks, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert werden können, ist frei wählbar und hängt nur von der Konfiguration des Sensorsystems ab. Ebenso ist die Anzahl der verwendeten Sensoren frei wählbar. Die Anzahl der bereitgestellten (skalaren) Sensorinformationen muss lediglich gleich oder größer der Anzahl der zu regelnden Freiheitsgrade sein. Insbesondere kann eine größere Zahl von Sensoren vorgesehen werden, und die redundante Sensorinformation kann verwendet werden, um z.B. Formfehler des betrachteten Werkstückbereichs besser erfassen zu können oder den Positioniervorgang in seiner Genauigkeit zu verbessern. Schließlich kann Sensorinformation aus unterschiedlichen - vorzugsweise berührungsfreien - Quellen verwendet werden (z.B. eine Kombination von CCD-Kameras, optischen Spaltsensoren und Triangulationssensoren zur AbStandsmessung) . Somit können durch Verwendung geeigneter Sensoren die Messergebnisse unterschiedlicher qualitätsrelevanter Größen (Spaltmaße zwischen dem Werkstück und einem in dem Bearbeitungswerkstück gehaltenen Anbauteil, Übergangsmaße, Tiefenmaße) berücksichtigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr leicht auf neue Problemstellungen adaptiert werden, da lediglich die Sensordatengewinnung und -aufarbeitung, nicht aber der regelnde Systemkern adaptiert werden muss.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei- spiels näher erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Aufsicht auf ein Bearbeitungssystem zur Bearbeitung einer auf einem Transportband bewegten Fahrzeugkarosserie in unterschiedlichen Prozessphase :
Fig. la Zuführung der Karosserie Fig. 1b Bearbeitung der Karosserie (Einkleben eines Dachmoduls) ;
Fig. 2 schematische Schnittansichten des Bearbeitungssystems und der bewegten Karosserie der Figur 1 in unterschiedlichen Prozessphasen: Fig. 2a: Arbeitsposition des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber der bewegten Karosserie; Fig. 2b: Näherungsposition des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber der bewegten Karosserie;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verfahrbahn des Bearbeitungswerkzeugs bei der Abarbeitung Montageschritte der Figuren 1 und 2.
Figur la zeigt eine Aufsicht auf ein Bearbeitungssystem 4, in dem Dachmodule 3 in Dachausschnitte 2 von Fahrzeugkarosserien 1 eingeklebt werden. Die Fahrzeugkarosserien 1 werden dem Bearbeitungssystem 4 auf einem Transportband 10 zugeführt und werden während der Dachmodulmontage kontinuierlich auf dem Transportband 10 durch den Arbeitsraum 6 des Bearbeitungssystems 4 befördert (Pfeilrichtung 11) . Jedes Dachmodul 3 wird von einem Roboter 7 zugeführt und ist in seinem Randbereich mit einer Klebstoffraupe 29 versehen, durch die das Dachmodul 3 mit dem Dachausschnitt 2 der Karosserie 1 verbunden.
Um das Dachmodul 3 prozesssicher in die auf dem Transportband 10 bewegte Karosserie 1 montieren zu können, muss das Dachmodul 3 lagegenau (in bezug auf Position und Winkelläge) gegenüber den dem Dachausschnitt 2 der bewegten Karosserie 1 ausgerichtet werden; insbesondere muss ein zwischen dem Dachmodul 3 und den benachbarten Dachbereichen 9 vorliegender Spalt 21 ein möglichst gleichförmiges Maß aufweisen (siehe Figur 2a) . Die benachbarten Dachbereiche 9 bilden dabei einen sogenannten Referenzbereich zur Ausrichtung des Dachmoduls 3 gegenüber der Karosserie 1. Diese Relativausrichtung zwischen Dachmodul 3 und Dachausschnitt 2 muss während der montagerelevanten Prozessschritte beibehalten werden, d.h. das Dachmodul 3 muss bis zum Angelieren des Klebstoffs in dieser Relativausrichtung zum Dachausschnitt 2 gehalten (bzw. auf den Dachausschnitt 2 gepresst) werden, um das gewünschte Spaltmaß zu erreichen.
Die Montage des Dachmoduls 3 in die Karosserie 1 erfolgt mit Hilfe eines von dem Industrieroboter 7 geführten Bearbeitungswerkzeugs.5, das das Dachmodul 3 an die bewegte Karosserie 1 bringt und lagegenau gegenüber dem Dachausschnitt 2 der Karosserie 1 positioniert. Zur Lage- und Bewegungssteuerung des Roboters 7 und des Bearbeitungswerkzeugs 5 ist ein Steuersystem 20 vorgesehen. Das Bearbeitungswerkzeug 5 ist an der Hand 12 des Industrieroboters 7 befestigt und umfasst einen Rahmen 13, an dem eine Fixiervorrichtung 14 befestigt ist, mit Hilfe derer das Dachmodul 3 in einer wohldefinierten Lage aufgenommen werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fixiervorrichtung durch mehrere Unterdruck-Saugnäpfe gebildet, die an der Oberseite 22 des Dachmoduls 3 angreifen.
Zur Vermessung der Lage und Ausrichtung des im Bearbeitungs- Werkzeug 5 fixierten Dachmoduls 3 gegenüber der bewegten Karosserie 1 ist das Bearbeitungswerkzeug 5 mit einem Sensorsystem 18 mit mehreren Sensoren 19 versehen, die starr mit dem Rahmen 13 des Bearbeitungswerkzeugs 5 verbunden sind; sie bilden somit mit dem Bearbeitungswerkzeug 5 eine bauliche Einheit. Diese Sensoren 19 dienen zur Ermittlung von Fugen-, Spalt- und Tiefenmaßen zwischen den Referenzbereichen 9 des Dachausschnitts 2 und den benachbarten Referenzbereichen 17 des Dachmoduls 3. Mit Hilfe dieses Sensorsystems 18 wird - wie weiter unten beschrieben - das in dem Bearbeitungswerkzeug 5 gehaltene Dachmodul 3 in einem iterativen Regelvorgang gegenüber dem Dachausschnitt 2 der Karosserie 1 ausgerichtet und während des gesamten Montagevorgangs in dieser Ausrichtung gehalten. Soll das Bearbeitungssystem 5 auf eine neue Bearbeitungsaufgabe - beispielsweise auf die Dachmodulmontage in einem neuen Fahrzeugtyp - eingestellt werden, so muss zunächst eine sogenannte Einrichtphase durchlaufen werden, in der das Bearbeitungswerkzeug 5 konfiguriert wird. Dabei wird eine dem zu montierenden Dachmodul 3 angepasste Fixiervorrichtung 14, ein geeignet gestalteter Rahmen 13 und ein Sensorsystem 18 mit entsprechenden Sensoren 19 ausgewählt und zusammengebaut. Im Anschluss daran wird das Sensorsystem 18 des Bearbeitungs- Werkzeugs • -5 „eingelernt", indem - wie im folgenden unter I. beschrieben - (Soll-) Messwerte des Sensorsystems 18 auf einer stationär gehaltenen „Master" -Karosserie 1' und einem „Master" -Dachmodul 3' aufgenommen werden und die gesteuert zu durchlaufenden Bahnabschnitte einer Verfahrbahn 16 des Roboters 7 einprogrammiert werden. Nach Beendigung dieser Einrichtphase steht das so konfigurierte und eingemessene Bearbeitungssystem 4 zum Serieneinsatz bereit, bei dem für jede einem Arbeitsraum 6 des Bearbeitungssystems 4 zugeführte Karosserie 1 eine sogenannte Arbeitsphase durchlaufen wird, bei der - wie im folgenden unter II. beschrieben - ein zugehöriges Dachmodul 3 im Dachausschnitt 2 der Karosserie 1 positioniert und befestigt wird.
I . Einrichtphase des Bearbeitungswerkzeugs 5 :
Zur Lösung einer neu gestellten Bearbeitungsaufgabe wird in einem ersten Schritt zunächst ein der Bearbeitungsaufgabe an- gepasstes Sensorsystem 18 für das Bearbeitungswerkzeug 5 ausgewählt und gemeinsam mit der Fixiervorrichtung 14 am Rahmen
13 befestigt. Das so zusammengebaute Bearbeitungswerkzeug 5 wird an der Roboterhand 12 befestigt . Die Fixiervorrichtung
14 wird dann mit einem („Master"-) Dachmodul 3' bestückt und (manuell bzw. interaktiv) in einer solchen Weise gegenüber einer stationär im Arbeitsraum 6 fixierten („Master"-) Karosserie 1' ausgerichtet, dass eine „optimale" Ausrichtung des („Master"-) Dachmoduls 3' gegenüber der („Master"-) Karosse- rie 1' gegeben ist; diese Relativlage des („Master"-) Dachmoduls 3' gegenüber der („Master"-) Karosserie 1' ist in Figur 2a dargestellt. Eine solche „optimale" Ausrichtung kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass der Spalt 21 zwischen dem („Master"-) Dachmodul 3' und der („Master"-) Karosserie 1' möglichst gleichförmig ist, oder dass der Spalt 21 in bestimmten Regionen bestimmte Werte einnimmt. Die dabei eingenommene Relativposition des Bearbeitungswerkzeugs 5 gegenüber der („Master"-) Karosserie 1' wird im folgenden als „Arbeitsposition" 23 bezeichnet.
Die Zahl und die Lage der Sensoren 19 im Sensorsystem 18 ist so gewählt, dass die Sensoren 19 auf geeignete, für die „optimale" Ausrichtung besonders wichtige, Bereiche 9,17 der („Master"-) Karosserie 1' bzw. des („Master"-) Dachmoduls 3' gerichtet sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2a sind symbolisch zwei optische flächenhaft messende Sensoren 19 gezeigt, die beide auf die einander benachbarten Ränder 33,34 der („Master"-) Karosserie 1' und des („Master"-) Dachmoduls 3' gerichtet sind. Aus von den Sensoren aufgenommenen Bildern werden in der Auswerteeinheit 26 die Verläufe der Ränder 33,34 im Bildfeld der Sensoren 19 und die Maße des Spalts 21 berechnet . Neben diesen Spaltmessungssensoren können weitere Sensoren vorgesehen sein, die beispielsweise einen (Tiefen-) Abstand zwischen („Master"-) Karosserie 1' und („Master"-) Dachmodul messen.
Das Bearbeitungswerkzeug 5 mit dem Sensorsystem 18 und mit dem in der Fixiervorrichtung 14 gehaltenen („Master"-) Dachmodul 3' wird nun mit Hilfe des Roboters 7 auf die (durch das manuell bzw. interaktiv Ausrichten eingestellte, in der Darstellung der Figur 2a eingenommene) Arbeitsposition 23 gegenüber der („Master"-) Karosserie 1' „eingelernt". Hierbei werden zunächst Messwerte aller Sensoren 19 in der Arbeitsposition 23 aufgenommen und als „Soll-Messwerte" in einer Auswerteeinheit 26 des Sensorsystems 18 abgelegt; diese Sensor- Auswerteeinheit 26 ist zweckmäßigerweise in das Steuersystem 20 des Roboters 7 integriert. Anschließend wird - ausgehend von der Arbeitsposition 23 - mit Hilfe des Roboters 7 die Lage des Bearbeitungswerkzeugs 5 und des darin gehaltenen („Master"-) Dachmoduls 3' gegenüber der („Master"-) Karosserie 1' entlang bekannter Verfahrbahnen - wie in Figur 2a durch Pfeile 25 angedeutet - systematisch verändert; in der Regel sind dies Inkrementalbewegungen des Roboters 7 in seinen Freiheitsgraden. Die dabei auftretenden Veränderungen der Messwerte der Sensoren 19 werden (vollständig oder in Teilen) aufgezeichnet. Aus diesen Sensorinformationen wird - in bekannter Weise - eine sogenannte Jacobimatrix (Sensitivitäts- matrix) errechnet, die den Zusammenhang zwischen den Inkrementalbewegungen des Roboters 7 und den dabei auftretenden Änderungen der Sensormesswerte beschreibt . Das Verfahren zur Ermittlung der Jacobimatrix ist beispielsweise beschrieben in „A tutorial on Visual servo control" von S. Hutchinson, G. Hager und P. Corke, IEEE Transactions on Robotics and Automation 12(5), Oktober 1996, Seiten 651—670. In diesem Artikel sind auch die Anforderungen an die Verfahrwege bzw. die Mess- umgebungen beschrieben (Stetigkeit, Monotonie, ...), die erfüllt sein müssen, um eine gültige Jacobimatrix zu erhalten. - Die Inkrementalbewegungen sind in einer solchen Weise ausgewählt, dass während dieses Einrichtvorgangs keine Kollisionen des Bearbeitungswerkzeugs 5 bzw. des („Master"-) Dachmoduls 3' mit der („Master"-) Karosserie 1' auftreten können.
Die in der Einrichtphase erzeugte Jacobimatrix wird zusammen mit den „Soll-Messwerten" in der Auswerteeinheit 26 des Sensorsystems 18 abgelegt; diese Daten bilden die Grundlage für den späteren geregelt zu durchlaufenden Positionierungsvorgang des Bearbeitungswerkzeugs 5 gegenüber der bewegten Karosserie 1 und die hochgenaue geregelte Bewegungsverfolgung der Karosserie 1 durch das Bearbeitungswerkzeug 5 in der Arbeitsphase (siehe unten unter II.) .
Weiterhin wird in der Einrichtphase eine Verfahrbahn 16 der Roboterhand 12 (und somit des Bearbeitungswerkzeugs 5) gene- riert, die in der späteren Arbeitsphase II. gesteuert durchlaufen wird. Diese Verfahrbahn 16 ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Den Ausgangspunkt der Verfahrbahn 16 bildet eine sogenannte „Rückzugsposition" 30, die so gewählt ist, dass keine Kollisionen des Bearbeitungswerkzeugs 5 oder des darin gehaltenen Dachmoduls 3 mit den auf dem Transportband 10 bewegten Karosserien 1 zu befürchten sind. Diese Rückzugsposition 30 kann beispielsweise einer (in den Figuren nicht dargestellten) Bestückungsstation entsprechen, in der das Dachmodul 3 durch das Montagewerkzeug 5 aufgenommen wird und in der mit Hilfe eines (in den Figuren la und lb nicht gezeigten) Kleberoboters Klebstoffraupen 29 auf ausgewählte Bereiche 28 der Dachmodul-Unterseite aufgetragen werden und.
Ausgehend von dieser Rückzugsposition 30 umfasst die Verfahrbahn 16 folgende separate Abschnitte:
A-l Das Bearbeitungswerkzeug 5 mit eingelegtem Dachmodul 3 wird auf einer gesteuert zu durchlaufenden Bahn A-l von der Rückzugsposition 30 in eine fest vorgegebene, sogenannte „Näherungsposition" 27 gebracht, die so gewählt ist, dass alle Einzelsensoren 19 des Sensorsystems 18 gültige Messwerte des jeweiligen Bereiches 9,17 des Dachmoduls 3 und/oder der Karosserie 1 erfassen können, während gleichzeitig gewährleistet ist, dass keine Kollisionen des Bearbeitungswerkzeugs 5 oder des Dachmoduls 3 mit der Karosserie 1 auftreten können (siehe Figur 2b) .
A-2 Das Bearbeitungswerkzeug 5 mit eingelegtem Dachmodul 3 wird auf einer in der späteren Arbeitsphase geregelt zu durchlaufenden Bahn A-2 von der Näherungsposition 27 in die (wie oben beschrieben „eingelernte") Arbeitsposition 23 gebracht, in der das im Bearbeitungswerkzeug 5 gehaltene Dachmodul 3 läge- und winkelgenau gegenüber dem Dachausschnitt 2 der Karosserie 1 ausgerichtet ist . Was während dieses geregelt zu durchlaufenden Prozess- Schritts im einzelnen geschieht, wird weiter unten (in II. Arbeitsphase) beschrieben.
B Nun erfolgt der eigentliche Bearbeitungsvorgang, bei dem das im Bearbeitungswerkzeug 5 gehaltene Dachmodul 3 mit einem vorgegebenen Druck in den Dachausschnitt 2 hinein- gepresst wird und so lange in diese Position gehalten wird, bis der Klebstoff 29 angeliert bzw. ausgehärtet ist; währenddessen wird vom Roboter 7 periodisch ein Regelvorgang • durchlaufen, durch den das Bearbeitungswerkzeug 5 in der (als Ergebnis des Regelvorgangs A-2 aufgefundenen) •• Relativposition zur bewegten Karosserie 1 ausgerichtet bleibt.
C Ist der Montageprozess beendet, so setzt das Steuersystem 20 des Roboters 7 ein Signal ab, durch das die ausgerichtete Verfolgung der bewegten Karosserie 1 durch das Bearbeitungswerkzeug 5 beendet wird. Das Bearbeitungswerkzeug 5 wird dann robotergesteuert in die Rückzugsposition 30 zurückbewegt.
Die im Rahmen der Einrichtphase erzeugte Verfahrbahn 16 des Bearbeitungswerkzeugs 5 besteht somit aus zwei gesteuert zu durchlaufenden Abschnitten A-l und C sowie zwei geregelt zu durchlaufenden Abschnitt A-2 und B. Die Schritte A-l und C können während der Einlernphase des Bearbeitungswerkzeugs 5 interaktiv eingegeben werden, oder sie können in Form eines (off-line generierten) Programms im Steuersystem 20 des Roboters 7 abgelegt werden.
II. Arbeitsphase
In der Arbeitsphase werden auf dem Transportband 10 sequentiell Karosserien 1 durch den Arbeitsraum 6 des Bearbeitungssystems 4 hindurchgeführt; in jede dieser bewegten Karosserien 1 wird mit Hilfe des Bearbeitungssystems 4 - unter Verwendung der in der Einrichtphase I . eingelernten Verfahrbahn 16 - ein mit einer Klebstoffraupe 29 versehenes Dachmodul 3 lagegenau gegenüber dem Dachausschnitt 2 positioniert und in dieser Relativausrichtung in die bewegte Karosserie 1 eingebaut .
Verfahrbahn-Abschnitt A-l (Näherungsphase) :
Während des Zufuhrens der neuen Karosserie 1 befindet sich das Bearbeitungswerkzeug 5 in der Rückzugsposition 30 und nimmt dort ein mit Klebstoff 29 versehenes, zu montierendes Dachmodul 3 auf (siehe Figur la) . Sobald die neue Karosserie 1 in den Arbeitsraum 6 hineinbewegt worden ist (und dabei beispielsweise eine Lichtschranke durchfahren hat) , empfängt das Steuersystem 20 des Roboters 7 ein Signal, durch das der Verfahrbahn-Abschnitt A-l angestoßen wird. Das Bearbeitungswerkzeug 5 mit eingelegtem Dachmodul 3 wird dabei gesteuert in die (raumfeste) Näherungsposition 27 der Figur 2b bewegt, die - wie oben erwähnt - so gewählt wurde, dass sich der Dachausschnitt 2 (bzw. die Referenzbereiche 9) der bewegten Karosserie 1 - unabhängig von der genauen Lage der Karosserie auf dem Transportband 10 - im Fangbereich der Sensoren 19 des Bearbeitungswerkzeugs 5 befinden.
Verfahrbahn-Abschnitt A-2 (Positionierphase des Bearbeitungswerkzeugs 5) :
Ausgehend von dieser Näherungsposition 27 wird eine Positionierphase (Bahnabschnitt A-2 in Figur 3) des Bearbeitungswerkzeugs 5 durchlaufen, im Rahmen derer das im Bearbeitungswerkzeug 5 gehaltene Dachmodul 3 in die (während der Einlernphase I. eingelernte) Arbeitsposition 23 gegenüber der bewegten Karosserie 1 gebracht und dabei lagegenau gegenüber dem Dachausschnitt 2 ausgerichtet wird. Hierzu werden durch die Sensoren 19 des Sensorsystems 18 Messwerte in ausgewählten Bereichen 9,17 des Dachmoduls 3 und der Karosserie 1 aufgenommen. Mit Hilfe dieser Messwerte und der in der Einricht- phase bestimmten Jacobimatrix wird ein Bewegungsinkrement (Verschiebungsvektor) berechnet, das die Differenz zwischen den aktuellen (Ist-) Sensormesswerten und den (Soll-) Sensormesswerten verkleinert. Das im Bearbeitungswerkzeug 5 gehaltene Dachmodul 3 wird dann mit Hilfe des Roboters 7 um dieses Bewegungsinkrement verschoben und/oder geschwenkt, und während der laufenden Bewegung werden neue (Ist-) Sensormesswerte aufgenommen.
Dieser iterative Mess- und Verschiebe-Vorgang wird in einer Regelschleife so lange wiederholt, bis die Differenz zwischen den aktuellen (Ist-) und den angestrebten (Soll-) Sensormesswerten ein vorgegebenes Fehlermaß unterschreitet, oder bis sich diese Differenz nicht mehr über einen im Vorfeld festgesetzten Schwellenwert hinaus ändert. Das Dachmodul 3 befindet sich nun (im Rahmen der durch Fehlermaß bzw. Schwellenwert vorgegebenen Genauigkeit) in der (in Figur 2a dargestellten) Arbeitsposition 23 gegenüber der Karosserie 1.
Durch die in dieser Positionierphase A-2 durchlaufene iterative Minimierung werden sowohl Ungenauigkeiten der Karosserie 1 bezüglich ihrer Lage und Ausrichtung auf dem Transportband 10 als auch eventuell vorhandene Formfehler des Dachausschnitts 2 der Karosserie 1 (d.h. Abweichungen von der („Master") Karosserie 1') kompensiert. Simultan werden Ungenauigkeiten des Dachmoduls 3 bezüglich seiner Lage und Ausrichtung im Bearbeitungswerkzeug 5 und eventuell vorhandene Formfehler des Dachmoduls 3 kompensiert (d.h. Abweichungen vom („Master") Dachmodul 3')- Durch eine periodische Wiederholung der Messewertaufnahme und des Regelvorgangs wird weiterhin erreicht, dass die Bewegung der Karosserie 1 im Arbeitsraum 6 des Bearbeitungssystems 4 kompensiert wird, so dass das robotergeführte Bearbeitungswerkzeug 5 der Karosserie 1 „folgt". Ein solches prozesssicheres „Verfolgen" der Karosserie 1 durch das Bearbeitungswerkzeug 5 setzt lediglich voraus, dass Änderungen in der Relativlage zwischen Karosserie 1 und Roboter 8 langsamer erfolgen als die Messung und Positionsrege- lung des Verbunds aus Sensorsystem 18 und Bearbeitungswerkzeug 5 (bzw. Roboterhand 12) .
Das Dachmodul 3 wird im Zuge dieses iterativen Regelprozesses A-2 - unabhängig von der Bewegung der Karosserie 1 - in der „optimalen" Weise in den Dachausschnitt 2 der Karosserie 1 eingepasst . Zur separaten Erkennung und Bewertung von Formfehlern des Dachmoduls 3 und der Karosserie 1 können auf dem Bearbeitungswerkzeug 5 zusätzliche (d.h. für die eigentliche Positionieraufgabe nicht benötigte) Sensoren vorgesehen werden, deren Messwerte ausschließlich oder teilweise zur Erfassung der Formfehler verwendet werden. Weiterhin können die Messwerte der Einzelsensoren 19 mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren versehen werden, um eine gewichtete Lageoptimierung des Dachmoduls 3 gegenüber dem Dachauschnitt 2 der Karosserie 1 herbeizuführen.
Eine wichtige Eigenschaft der Positionierphase A-2 ist ihre Unabhängigkeit von der Robotergenauigkeit : Da der Positioniervorgang auf einem iterativen Vergleich der (Ist-) Mess- werte mit (Soll-) Messwerten beruht, wird jede Positionsunge- nauigkeit des Roboters 7 sofort durch den iterativen Regel- prozess kompensiert.
Arbeitsgang B (Befestigung des Dachmoduls 3 an der Karosserie 1)
In dem nun folgenden Arbeitsschritt B wird das Dachmodul 3 mit der Karosserie 1 verbunden. Dabei folgt das Bearbeitungs- Werkzeug 5 geregelt der bewegten Karosserie 1, indem die Sensoren 19 - in Fortführung des Prozessschritts A-2 - in einer iterativen Regelschleife periodisch Messwerte der Bereiche 9 auf der Karosserie 1 aufnehmen und mit den in der Auswerteeinheit 26 abgelegten Soll-Daten vergleichen; treten Differenzen zwischen der Soll- und den Ist-Werten auf - was bei einer bewegten Karosserie 1 zu erwarten ist - so wird die La- ge der Roboterhand 12 analog zu dem in A-2 beschriebenen Regelvorgang korrigiert, um diese Differenzen so gering wie möglich zu halten.
Parallel zu dieser geregelten Verfolgungsbewegung des Montagesystems 5 durch das Sensorsystem 18 wird nun das Dachmodul 3 mit Hilfe der Fixiervorrichtung 14 in der gewünschten (der Arbeitsposition 23 entsprechenden) Relativlage zum Dachausschnitt 2 gehalten bzw. mit einer vorgegebenen (oder geregelten) Kraft au den Dachausschnitt 2 gedrückt. Ist die Gelierbzw. Härtezeit des Klebers 29 verstrichen, so wird das Dachmodul 3 von der Fixiervorrichtung 14 freigegeben.
In Abhängigkeit von der Dauer des in diesem Arbeitsgang B zu bewältigenden Bearbeitungsumfangs und von der Vorschubgeschwindigkeit des Transportbandes 10 kann es zweckmäßig sein, den Roboter 7 nicht stationär zu halten, sondern auf einer parallel zur Transportrichtung 11 des Bandes 10 verlaufenden Schiene 15 zu bewegen. Die Bahnbewegung des Roboters 7 auf der Schiene 15 ist dabei eine gesteuerte Bewegung und ist somit nicht an den Vorschub des Transportbandes 10 gekoppelt. Unabhängig davon, ob der Roboter 7 mit dem Transportband 10 mitbewegt wird oder nicht, erfolgt die prozessbegleitende Ausrichtung des Dachmoduls 3 an der bewegten Karosserie 1 daher ausschließlich durch den oben beschriebenen iterativen Regelungsprozess, d.h. basierend auf der On-Line- Messdatengewinnung und -auswertung durch das Sensorsystem 18. Daher ist weder eine mechanische Kopplung des Bearbeitungswerkzeugs 5 an das Transportband 10 notwendig, noch braucht das Steuersystem 20 des Roboters 7 in irgendeiner (elektrischen/elektronischen) Weise mit der Steuerung des Transportbands vernetzt werden.
Vorzugsweise wird während der Verfolgungsphase B periodisch in vorgegebenen (möglichst kurzen) Zeitabständen eine Positionsregelschleife durchlaufen, um das Werkzeug 5 permanent gegenüber dem Dachausschnitt 2 ausgerichtet zu halten. Falls dies nicht möglich ist (weil beispielsweise das Werkzeug 5 kurzzeitig aus dem Dachbereich herausgeführt werden muss, um diesen Bereich für weitere Werkzeuge zugänglich zu machen) , kann von der Roboterhand 12 eine kurze „Blindfahrt" durchgeführt werden, bei der der geschätzte Vorschub der Karosserie 1 geschätzt wird.
Verfahrbahn-Abschnitt C (Rückzug des Bearbeitungswerkzeugs 5) :
Nach Beendigung der Montage des Dachmoduls 3 (siehe Figur 1b) wird die unter B beschriebene geregelte Verfolgungsbewegung, durch die das Bearbeitungswerkzeug 5 an die Transportbewegung der Karosserie 1 angekoppelt ist, abgebrochen. Das Bearbeitungswerkzeug 5 wird entlang der Verfahrbahn C robotergesteuert in die Rückzugsposition 30 zurückbewegt und dort mit einem neuen Dachmodul 3 bestückt .
Bei der Aufnahme eines neuen Dachmoduls 3 durch das Bearbeitungswerkzeug 5 kann das Sensorsystem 18 verwendet werden, um eine hochgenaue Ausrichtung des Dachmoduls 3 im Bearbeitungs- Werkzeug 5 sicherzustellen. In diesem Fall wird das Bearbeitungssystem 5 - im Zuge einer Einrichtphase, die analog zu der oben unter I . beschriebenen Einrichtphase verläuft - auf eine „Aufnahmeposition" eingelernt, die einer vorgegebenen Lage/Ausrichtung des Bearbeitungswerkzeugs 5 (und somit der Sensoren 19 des Sensorsystems 18) gegenüber dem Dachmodul 3 entspricht. Das Dachmodul 3 wird dem Bearbeitungssystem 4 dabei beispielsweise in einem (in den Figuren nicht dargestellten) Werkstückträger zugeführt. Ein automatisierbares Verfahren zur lagegenauen Entnahme eines Dachmoduls aus einem Werkstückträger ist in der (PCT -Patentanmeldung, unsere Akte P803860) beschrieben.
Die hochgenaue Ausrichtung des Dachmoduls 3 im Bearbeitungs- Werkzeug 5 empfiehlt sich insbesondere dann, wenn das Dachmo- dul 3 in der Bestückungsstation - d.h. vor dem oben beschriebenen Einfügen in die bewegte Karosserie 1 - mit Hilfe des Bearbeitungswerkzeugs 5 auf einer gesteuerten Bahn an einem Klebewerkzeug (z.B. einem Kleberoboter) entlanggeführt wird, das die Klebstoffraupe 29 auf die gewünschten Bereiche 28 des Dachmoduls 3 aufträgt. Für ein prozesssicheres Verkleben des Dachmoduls 3 im Dachausschnitt 2 ist es unerlässlich, eine positionsgenaue Lage der Klebstoffraupe 29 auf dem Dachmodul 3 sicherzustellen; dies wiederum kann nur dann mit vertretbarem Aufwand erreicht werden, wenn das Dachmodul 3 während des Klebstoffauftrags hochgenau gegenüber dem Klebewerkzeug ausgerichtet ist, was durch eine hochgenaue Positionierung des Dachmoduls 3 im Montagewerkzeug 5 gewährleistet werden kann. - In diesem Fall muss im Zuge der Arbeitsphase II. während der Positionierungsphase A-2 (und der Verfolgungsphase B) das Bearbeitungswerkzeug 5 lediglich gegenüber den Referenzbereichen 9 der Karosserie 1 ausgerichtet werden; die Lage der Referenzbereiche 17 des Dachmoduls 3 ist aufgrund der lagegenauen Halterung des Dachmoduls 3 im Werkzeug 5 bekannt, so dass diese Merkmale während der Arbeitsphase II. nicht mehr erfasst zu werden brauchen.
Alternativ kann das Dachmodul 3 „ungenau" in bezug auf seine Lage/Ausrichtung (d.h. ohne hochgenaue Ausrichtung des Werkzeugs 5 gegenüber dem Dachmodul 3) in dem Bearbeitungswerkzeug 5 aufgenommen werden. Dies empfiehlt sich beispielsweise in den Fällen, in denen das Dachmodul 3 zum Zeitpunkt seiner Aufnahme durch das Bearbeitungswerkzeug 5 bereits mit einer Klebstoffraupe 29 versehen ist. In diesem Fall werden im Zuge der Arbeitsphase II. während der Positionierungsphase A-2 (und der Verfolgungsphase B) sowohl vom Dachmodul 3 als auch von der Karosserie 1 Messdaten erfasst, so dass die Relativposition- vermittelt wird. Aufgrund dieser Relativpositionierung während der Arbeitsphase II. hat die „ungenaue" Lagerung des Dachmoduls 3 im Werkzeug 5 keinerlei Einfluss auf die Positioniergenauigkeit des Dachmoduls 3 im Dachausschnitt 2. Zur Datenkommunikation zwischen den unterschiedlichen Systemkomponenten (Auswerteeinheit 26 des Sensorsystems 18 und der Steuereinheit 20 des Roboters 7) wird in den vorliegenden Ausführungsbeispielen vorteilhafterweise eine TCP/IP- Schnittstelle eingesetzt, die eine hohe Datenrate ermöglicht. Eine solche hohe Datenrate ist notwendig, um während der geregelt zu durchlaufenden Positionier- und Verfolgungsphasen A-2 und B eine Regelung des Gesamtsystems (Sensorsystem/Roboter) mit der Vielzahl der Einzelsensoren 19 im Interpolationstakt des Roboters 7 bewältigen zu können.
Das Verfahren ist - neben der Dachmodulmontage in Fahrzeugkarosserien - auf beliebige andere Bearbeitungsu fänge übertragbar, bei denen mit Hilfe eines robotergeführten Bearbeitungswerkzeugs 5 ein Werkstück 1 hochgenau bearbeitet werden soll. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Montage von Frontscheiben in bewegten Fahrzeugkarosserien. Unter „robotergeführten" Bearbeitungswerkzeugen sind im Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung ganz allgemein Werkzeuge zu verstehen, die auf einem mehrachsigen Manipulator, insbesondere einem sechsachsigen Industrieroboter 7 montiert sind.
oOo.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Bearbeitung eines bewegten Werkstücks (1) , insbesondere einer mittels eines Transportbandes (10) bewegten Fahrzeugkarosserie (1) ,
- bei welchem Verfahren zum Bearbeiten des Werkstücks
(1) ein Bearbeitungssystem (4) mit einem Bearbeitungs- Werkzeug (5) verwendet wird, welches an der Hand (12) eines Roboters (7) befestigt ist und welches ein fest mit dem Bearbeitungswerkzeug (5) verbundenes Sensorsystem (18) mit mindestens einem Sensor (19) umfasst, m i t d e n f o l g e n d e n V e r f a h r e n s s c h r i t t e n:
- die Roboterhand (12) mit dem Bearbeitungswerkzeug (5) wird im Rahmen einer Positionierphase (A-2) in eine Arbeitsposition (23) bewegt wird, in das Bearbeitungswerkzeug (5) lagegenau gegenüber einem Referenzbereich
(9) des auf dem Transportband (10) bewegten Werkstücks (1) ausgerichtet ist,
- und wobei das Bearbeitungswerkzeug (5) anschließend eine Bearbeitungsphase (B) durchläuft, während derer das Bearbeitungswerkzeug (5) gegenüber dem Referenzbereich (9) auf dem Werkstück (1) ausgerichtet bleibt, wobei während der Positionierphase (A-2) und der Bearbeitungsphase (B) ein iterativer Regelvorgang durchlaufen wird, im Zuge dessen
- von dem mindestens einen Sensors (19) ein (Ist-) Messwert des Referenzbereiches (9) des Werkstücks (1) erzeugt wird,
- dieser (Ist-) Messwert mit einem im Rahmen einer Einrichtphase (II.) erzeugten (Soll-) Messwert verglichen wird, - aus der Differenz zwischen (Ist-) Messwert und (Soll-) Messwert unter Verwendung einer im Rahmen der Einricht- phase berechneten Jacobi-Matrix ein Verschiebungsvektor der Roboterhand (12) berechnet wird,
- das Bearbeitungswerkzeug (5) um diesen Verschiebungs- vektor verschoben wird.
2. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Kommunikation zwischen einem Steuersystem (20) des Roboters (7) und der Auswerteeinheit (26) des Sensorsystems (18) eine TCP/lP-Schnittstelle verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Positionierung des Bearbeitungswerkzeugs (5) gegenüber unterschiedlichen Karosserietypen oder gegenüber unterschiedlichen Referenzbereichen (9) desselben Karosserietyps die Messwerte unterschiedlicher Einzelsensoren (14,14") des Sensorsystems (13) zur Positionsregelung verwendet werden.
4. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verfahren zur Montage eines Dachmoduls (3) in einem Dachausschnitt (2) einer Fahrzeugkarosserie (1) verwendet wird.
5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verfahren zur Montage einer Windschutzscheibe (3 in einem vorderen Fensterausschnitt (2 Meiner Fahrzeugkarosserie (1) verwendet wird.
6. Bearbeitungssystem (4) zur Bearbeitung eines bewegten Werkstücks (1) , insbesondere einer mittels eines Transportbandes (10) bewegten Fahrzeugkarosserie (1) , - mit einem an einer Hand (12) eines Roboters (7) befestigten Bearbeitungswerkzeug (5) und
- mit einem Steuersystem (20) zur Steuerung des Roboters
(7) und des Bearbeitungswerkzeugs (5) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass das Bearbeitungssystem (4) ein Sensorsystem (18) mit mindestens einem Sensor (19) umfasst, welches fest mit dem Bearbeitungswerkzeug (5) verbunden ist,
- dass das Bearbeitungssystem (4) weiterhin eine Auswerteeinheit (26) zur Auswertung der Messwerte des Sensorsystems (18) umfasst,
- dass der mindestens eine Sensor (19) während einer Positionier- und Bearbeitungsphase (A-2,B) des Bearbeitungssystems (5) auf einen Referenzbereich (9) des bewegten Werkstücks (1) gerichtet ist,
- und dass unter Verwendung der Messwerte des Sensorsystems (18) das Bearbeitungswerkzeug (5) berührungsfrei an die Bahnbewegung des bewegten Werkstücks (1) ankoppelbar ist.
7. Bearbeitungssystem nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der mindestens eine Sensor (19) ein unkalibrierter Sensor ist.
8. Bearbeitungssystem nach Anspruch 7 oder 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mindestens eine Sensor (19) ein flächenhaft messender optischer Sensor ist.
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