KR102271941B1

KR102271941B1 - 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드 및 방법

Info

Publication number: KR102271941B1
Application number: KR1020157035546A
Authority: KR
Inventors: 조르디 안두카스 아레갈; 카를로스 간체구이 이투리아; 조세 자비에 가라르자 캄브라
Original assignee: 록신 2002 에스.엘.
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2021-07-02
Also published as: BR112015028755A2; US9919428B2; KR20160010868A; ES2671468T3; EP2998080A1; CA2912589C; US20160082598A1; EP2998080A4; CA2912589A1; ES2522921A1; EP2998080B1; CN105377513A; ES2522921B2; BR112015028755B1; CN105377513B; PT2998080T; WO2014184414A1

Abstract

비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드 및 방법은, 개폐하는 능력을 갖는 측면 창들이 구비되고, 기계 가공 공구를 둘러싸며, 기계식 잠금부가 구비된 종형 이동 장치와 연계되는 압력 풋, 컴퓨터에 연결된 비전 장비 및 통신 모듈을 포함한다. 본 발명은 본래 자동차 산업용으로 디자인되고 비교적 낮은 정확도를 갖는 의인화형 로봇에, 정확도가 더 큰 장비 또는 병렬 운동 타입 로봇들과 동등한 상당히 높은 기계가공 정확도를 부여하고, 또한 통상의 헤드들에 공통적이며 에러 및 부정확성의 원인인, 압력 풋에 의한 중심 이탈 및 수직성의 상실을 실시간으로 그리고 연속적인 방식으로 보상하는 주요 이점을 제공한다.

Description

비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드 및 방법{AUTOMATED MACHINING HEAD WITH VISION AND PROCEDURE}

본 설명은, 발명의 명칭이 나타내는 바와 같이, 다양한 기계가공 작업, 특히 드릴링 및 리벳팅을 수행하도록 의인화형 로봇 아암과 산업적으로 연계되어 사용되는 타입의 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드에 관한 것이며, 상기 의인화형 로봇 아암은, 로봇 제어기 모듈에 의해 제어되고, 개폐 가능한 측면 창들이 구비되며, 기계가공 공구를 둘러싸고, 기계식 잠금부가 구비된 축방향 이동 장치와 연계되는 압력 풋(pressure foot), 컴퓨터에 연결된 비전 장비, 및 이 비전 장비가 로봇 제어기와 상호 작용할 수 있게 하는, 컴퓨터와 로봇 제어기 모듈 간의 통신 모듈을 포함하고, 이 모두는 특징적인 동작 방법에 따른다.

본 발명은 주로 의인화형 로봇 아암과 연계된, 특히 드릴링 및 리벳팅용 기계가공 헤드 분야에 관한 것이지만, 이에 국한되지 않는다.

의인화형 로봇들은 현재 산업계, 특히 자동차 산업계에서 공지되어 광범위하게 사용되고 있다. 의인화형 로봇들은 다용도의 비교적 저가의 장치이지만, 그들의 주요 단점은, 수백 또는 수천분의 mm의 정확도를 요구하는, 예를 들어 항공 산업계에서의 기계가공, 드릴링 및 리벳팅 응용예와 같이, 정확도와 관련한 요건들이 수개의 자릿수만큼 많아지는 응용예들에는 적합하지 않게 되는, 2mm 초과의 에러로 이어질 수 있는 강성의 결핍 및 이에 따른 정확도의 결핍이다.

이러한 정확도의 정도는 고 정밀도 장비 또는 병렬 운동 기계(parallel kinematic machine)에 의해 달성될 수 있지만, 이러한 장비 또는 기계는 이들을 제조하는 데에 요구되는 정밀 기술 및 요구되는 제어 기술에 기인한 고 비용의 단점을 갖는다.

의인화형 로봇을 사용할 경우에는, 예를 들면 레이저 추적기(laser tracker)가 소정 공간 내의 로봇 헤드의 위치를 검출하고 이를 보정하도록 대응하는 명령들을 송출하는 외부 측정 시스템에 의해 그들의 정확도를 개선할 수 있는 응용예들이 존재하지만, 이러한 장비의 고 비용 이외에도, 로봇과 외부 측정 장비 간의 시야가 항상 분명해야 해서, 상당한 불이점을 나타내며, 대부분의 응용예에서 불가능하다는 주요 단점을 갖는다.

일반적으로 로봇 아암 축들을 이동시키는 리듀서(reducer)들의 출력 샤프트들 상에 고 정밀도의 2차 인코더들을 추가하기 위해서 표준 로봇들을 변경하고, 일부의 경우에서는 동시에, 통상적으로 로봇 제어기를 CNC로 대체하여, 그의 강성의 부분 증가를 달성하고 정확도를 개선함으로써, 의인화형 로봇들의 고유 정확도를 개선하려는 일부 시도가 있었지만, 이는 이들 로봇의 가장 큰 이점 중 하나를 없앨 뿐만 아니라, 이들 로봇이 더 이상 제조사의 카탈로그의 일부를 형성하는 표준 또는 일련의 로봇들이 아니고 이에 따라 고객 또는 최종 사용자가 추가적으로 로봇들을 변경하는 회사에 의존하기 때문에 유지보수 및 조정의 문제점과 예비 부품의 문제점을 초래하는 고비용의 단점이 있다.

또한, 통상의 비전 장비를 기계가공 공구들 내에 포함하지만, 증가된 정확도의 달성 없이, 작업 영역의 양호한 보기만을 제공하는 특허문헌 ES2152171A1 및 WO2007108780A2도 공지되어 있다.

또한, 특허문헌 WO03064116A2, US2010286827A1, US2003144765A1, ES2142239_A1, ES2036909_A1 및 CN101205662에 개시된 것들과 같은, 로봇에 대한 비디오 카메라들의 응용예들도 공지되어 있지만, 이전의 경우에서와 같이, 그들의 목적은 자동화 방식으로 증가된 정확도의 달성 없이, 로봇의 프로그래밍 동안에 작업 영역의 양호한 보기를 제공하는 것이다.

또한, 특허문헌 CN101726296 및 WO2006019970A2에 기재된 바와 같이, 2개의 카메라가 장착된 로봇도 공지되어 있지만, 이들은 로봇의 정확도를 개선하는 것을 돕기보다는, 단지 형상 또는 물체를 인식하기 위한 것이다.

또한, 특허문헌 US2009018697에 개시된 것과 같은, 순전히 기계 구성요소들에 기초하여, 비전 장비 없이 의인화형 로봇의 고유 정밀도를 개선하기 위한 절차도 공지되어 있지만, 상기 특허문헌에서는, 기계 시스템이 추가 힘이 인가된 경우에 로봇의 편차를 측정하는 데에 사용되지만, 워크피스와 측정 노즐 간에 기계적 슬리피지(mechanical slippage)가 발생할 경우, 더 이상 타깃 지점으로 복귀하지 못하는 문제점이 있다.

로봇 아암 이동의 수직성(perpendicularity) 및 정밀도를 개선하여, 기계가공 정확도에 관한 현존하는 문제점들을 해결하기 위해서, 본 발명의 주제인 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드가 고안되었고, 상기 자동화 기계가공 헤드는, 기계 가공 공구를 둘러싸는 압력 풋 - 상기 압력 풋은 기계식 잠금부가 구비된 공구 축에 대한 축방향 이동용 장치와 연계되고, 3차원 제어용 특정 소프트웨어가 구비된 컴퓨터에 연결된 비전 장비와 연계되며, 상기 비전 장비는 수개의 비디오 카메라 및 선택적으로 레이저 프로젝터를 포함함 -, 및 상기 비전 장비가 로봇 제어기와 상호 작용할 수 있게 하는 통신 모듈을 포함한다. 비전 장비는 3D 타입 비전 장비인 것이 바람직할 것이다.

압력 풋은 측면 창들이 구비된 후드에 의해 형성되며, 상기 측면 창들은, 압력 풋이 그의 기능을 수행하는 경우에, 즉 작업 위치에 있는 동안에 인공 비전(artificial vision) 카메라 또는 카메라들이 후드 내의 개구부들을 통해 작업 표면을 볼 수 있게 한다. 이들 측면 창은, 압력 풋이 기계가공 동안에 발생된 먼지 및 부스러기를 제거하는 흡입 시스템을 포함하기 때문에, 기계가공 동안에 부스러기가 나오는 것을 방지하는 폐쇄부들을 갖는다.

컴퓨터는 통신 모듈을 통해 바람직하게는 기계가공 헤드에 대한 이동을 제공하는 의인화 타입의 로봇 아암의 제어기 모듈에 연결되어, 비전 장비를 형성하는 비디오 카메라들로부터 수신된 영상 및 컴퓨터가 행하는 계산 및 예측에 따라 로봇 제어기 모듈의 명령들에 대한 보정을 수행한다.

로봇 제어기 모듈은 외부 CNC 또는 그의 제조사에 의해 제공된 로봇의 자체 제어기일 수 있다.

비전을 갖는 이러한 기계가공 헤드는 외부 힘의 취소 및 위치의 보정을 허용하는 특정 동작 절차를 수반한다.

외부 힘의 취소는, 약간의 추가 힘이 로봇의 작업 단부 또는 조립체의 임의의 다른 부분에서 로봇에 인가된 경우, 로봇의 낮은 강성에 기인하여, 로봇이 도달된 위치 및 방위를 상실하고, 상기 제어기가 이를 인식하지 않으므로 이에 따라 로봇 아암을 그의 초기 위치로 복귀시키려고 하지 않을 것이라는 공지된 사실에 기초한다. 이러한 절차에서, 로봇의 운동 정보가 비전 시스템을 통해 사용된다. 이러한 정보는, 로봇의 위치 및 방위를 변경시키는 힘이 사용되기 전에, 로봇을 재위치시켜, 로봇을 그의 정확한 위치로 복귀시킬 수 있게 한다.

힘을 취소하는 공정에서는, 로봇 제어기에 직접 표시되는 이러한 이동 없이, 그의 실제 위치를 변경하게 하는 힘의 사용을 포함하는 행위를 수행하기 원하는 표면과 로봇을 대면시키는 것을 고려하는 것이 중요하다. 상기 공정의 이 부분에서는 다음의 기능들을 수행할 것이다.

1. 로봇 위치 그 자체가 작업 표면과 대향한다.

2. 비전 장비는 표면 및 그의 거칠기를 스캐닝하고, 표면 상의 정확한 동작 지점을 고정하고 로봇의 공간 좌표들을 얻는다.

3. 외부 힘은, 이 경우에, 예를 들면 작업 표면에 대하여 압력 풋에 의해 로봇에 인가되어, 로봇이 그의 위치를 상실하게 한다. 로봇의 장치는 기계적 변형에 의해 상실이 결정되기 때문에 그의 위치를 상실한 것을 로봇 제어기에 통지하지 않는다.

4. 로봇은 비전 장비가 표면을 재스캐닝하고 발생되는 이동을 측정하도록 요청한다.

5. 비전 장비는 표면을 스캐닝하고 현재의 동작 및 힘 인가 전 사이에 발생되는 이동을 얻는다. 따라서, 장치는 존재하는 편차를 외부 방식으로 검출하고, 로봇 제어기에 그의 위치를 보정해야 하는 양 및 방법을 통지하여 동작 지점으로 복귀시킬 수 있다.

로봇이 최종적으로 동작 지점으로 복귀될 때까지 또는 나머지 에러가 소정의 값 미만이 될 때까지 최종 2개의 스텝이 반복될 수 있거나 반복되지 않을 수 있다.

상기한 바와 같이, 한편으로는, 로봇이 그들의 위치 맞춤 및 방위 정확도에 관하여 특히 정밀한 장치가 아니고, 다른 한편으로는, 로봇이 소정 위치에 도달된 즉시 추가 힘이 인가된 경우, 이는 그의 방위 및 위치 양쪽 모두를 변경할 것이다. 그러나, 로봇 아암의 헤드에 의해 수행될 많은 작업 및 동작은, 디자인되어 있는 주요 기능을 적절하게 수행하도록 하기 위해서 작업 지점에서 워크피스 표면에 대하여 특정의 정확한 방위를 채택하는 것을 필요로 한다. 이것의 예는, 매우 정밀한 드릴링 및 카운터싱킹(countersinking)이 공기 역학적 표면 상에 수행되는 경우일 수 있고, 여기서 방위가 전체적으로 각 동작 지점에서 워크피스 표면에 "법선(normal)"이거나 수직인 것이 상당히 중요하다.

본 명세서에 개시된 시스템 및 절차는, 로봇이 기능을 수행하거나, 또는 작업 지점에서 워크피스의 표면에 법선인 방위를 채택하기에 적절하다고 간주되는 그의 원래의 방위(외부 힘을 인가하기 전에)를 회복할 수 있게 한다.

방위를 보정하기 위한 절차는 추가 힘을 인가하기 전에 위치를 보정하기 위한 이미 설명한 것과 유사하며, 동시에 수행될 수 있다. 특히, 로봇을 재배향(re-orienting)하기 위한 기능들은 다음을 제외하고는 동일하다.

2. 비전 장비가 표면을 스캐닝하는 경우에는, 추가 외부 힘을 인가하기 전에, 이러한 동일한 초기 방위가 회복될 필요가 있는 경우에, 로봇의 초기 방위를 또한 계산하고 기억한다.

4. 로봇은 비전 장비가 표면을 재스캐닝하고 현재 방위를 측정하도록 요청한다.

5. 상기 지점 주위의 표면을 스캐닝하고 정규화 계산을 수행함으로써, 비전 장비는 로봇 방위가 원래 또는 정상으로부터 표면 방위로 이탈하는 양을 검출할 수 있고, 그의 방위를 보정해야 하는 양 및 방법을 로봇에 전달할 수 있다.

로봇이 최대 허용 방위 에러에 대한 허용오차가 사전에 수립되어 있는 원하는 방위로 복귀될 때까지 최종 2개의 스텝이 반복될 수 있거나 반복되지 않을 수 있다.

본 발명에서는, 추가 외부 힘이 워크피스 상의 작업 지점을 고정하고 동시에 상기 작업 지점에 대하여 방위를 계산하는 로봇에 인가되기 전 및 그 동안에 비전 시스템이 워크피스의 표면을 볼 수 있다는 점을 고려하면, 상기 힘의 결과가 제거되어, 로봇을 요구되는 위치 및 방위로 복귀시킬 수 있다.

의인화형 로봇들의 정확도는 그들이 초기에 디자인되어 있는 통상적인 사용을 위한 중요한 파라미터가 아닌 것으로 공지되고 채택된다. 전통적으로, 작업 개념은 로봇 아암을 각각의 요구되는 위치로 물리적으로 이동시키고 워크피스 프로그램을 구축하는 것에 기초하여, 상기 위치를 로봇의 메모리에 저장한다("티칭(teaching)"이라고 공지된 공정). 통상적으로, 이러한 타입의 로봇으로 수행되는 동작들은 소수의 지점(최대 24개 지점)에 의한 고속 동작이다. 따라서, 작업량의 소정의 XYZ 치수에 도달하는 것을 보장하는 것은 중요하지 않다. 관심이 있는 것은 로봇이 반복하려는 것, 즉 로봇이 항상 대부분 동일한 장소로 이동하는 것에 있다.

이러한 공정은 로봇의 정확도가 그의 반복성에 거의 일치할 수 있게 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 로봇은 외부 구성요소, 즉 비전 장비 - 바람직하게는 3차원 - 을 사용하여, 외부 참조들로서 사용할 소정의 구성요소들의 위치를 결정한다.

외부 참조의 사용에 따라, 더욱 큰 정확도가 실시간으로 달성될 수 있다. 로봇 운동이 실시간으로 계산되므로, 로봇의 반복성 및 정확도가 매우 유사하다. 따라서, 로봇이 평면 또는 직선 상으로 이동하거나 도달해야 하는 최종 위치를 시스템이 보정할 수 있기 때문에 높은 해상도로 정확도를 결정할 수 있다.

참조 공정은 가상선을 작도하도록 2개의 최소점을 통해 수행된다. 참조 평면이 결정되어야 하는 경우에는, 시스템이 동일한 정확도로 참조 평면을 계산하도록 3개의 지점의 최소값을 필요로 할 것이다.

상기 공정의 이 부분은 2개의 참조 지점에 대하여 다음의 기능들을 수행할 것이다:

로봇은, 정확하지 않아도 되는 프로그램된 지점으로 이동하고, 이 지점에서 참조 지점으로서 사용할 타깃을 찾는다.

· 비전 장비는 이 지점을 검사하는 동안에 로봇이 참조 지점 또는 타깃 주위에서 병진 이동을 수행하도록 요청한다.

· 참조 지점 2가 결정된다.

· 참조 지점 1 및 참조 지점 2가 작성하는 선이 결정된다.

· 참조 지점들 사이 또는 그 경로에 가까운 중간 지점들에 인가되어야 하는 기계적 왜곡을 상쇄(offset)시키는 소프트웨어의 통한 보정이 결정되어, 로봇의 반복성과 유사한 위치 맞춤 에러를 달성한다.

로봇은, 평면 상에서 이동하는 것이 요구되는 경우이면, 적어도 제3 타깃으로 이동해서 그 평면에 대한 보정을 결정해야 한다.

위치를 보정하기 위해서, 인공 비전 장비는 항상 워크피스 표면에 대한 시각적인 접근이 가능해야 하며, 이러한 목적을 위해서 압력 풋이 제자리에 있을 때에 압력 풋 내측을 보기 위해서 개구부들을 갖는 압력 풋이 필요하게 된다.

비전 장비는 또한 로봇이 예를 들어 수직성의 실시간 측정, 타깃들의 측정, 직경의 측정, 리벳들의 품질 제어 및 그 외의 특징들과 같은 추가적인 특징들을 제공할 수 있게 한다.

본 발명은 의인화형 로봇, 병렬 운동 로봇들 또는 그 외의 타입의 것들을 포함하는 임의의 타입의 로봇에 적용 가능하다.

제시되는 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드는 현재 입수 가능한 장비 이상의 다수의 이점을 제공하며, 가장 중요한 이점은, 본래 자동차 산업용으로 의도되고 비교적 낮은 정확도를 갖는 의인화형 로봇이, 예를 들어 기계가공 공구 또는 병렬 운동 타입 기계와 같은 정확도가 매우 큰 장비와 동등한, 상당히 높은 기계가공 정확도를 제공할 수 있게 하는 것이다.

다른 중요한 이점은, 통상의 헤드들에 공통적이고 에러 및 정확도의 결핍의 원인인 압력 풋의 압력에 기인한 수직성의 중심 이탈(off-centring) 및 상실을 실시간으로 그리고 연속적인 방식으로 보상하는 것이다.

또한, 추가 힘이 인가되는 경우에 로봇 편차를 측정하기 위한 기존의 기계 시스템에 비하여, 노즐이 워크피스 상에서 슬리핑(slip)하거나 슬라이딩할지라도, 타깃 지점은 항상 비전 시스템을 통해 복귀될 수 있다는 큰 이점을 나타내는 것도 주목할 만 하다.

다른 추가적인 이점은, 슬라이딩에 의해 영향을 받지 않는 것을 고려하면, 더 큰 예압력(preload force)이 압력 풋 상에서 이용될 수 있거나 또는 더 효율적인 공정 파라미터가 채용될 수 있다는 것이다.

또한, 비전 장비가 로봇 에러 및 부정확성을 보정하는 로봇 제어기와 상호 작용하여, 실시간으로 로봇 위치 맞춤 지점들을 보정한다는 점을 주목하는 것도 중요하다.

본 명세서에 개시된 본 발명은, 정확도를 개선하도록 관리하여, 일반적으로 정확도보다 약 10배 더 양호한 로봇 반복성에 매우 가까운 값으로 정확도를 취하기 때문에, 얻어진 최종 정확도가 더 이상 로봇의 정확도에 의존하지 않고, 그의 반복성에 의존한다는 점을 보장한다.

본 명세서에 제공된 해결책은, 의인화형 로봇의 모든 리듀서의 출력 샤프트들에 고 정확도의 인코더들을 부착할 필요성 및 하드웨어 및 추가 제어 소프트웨어를 제거하여, 보증, 유지보수 및 수리에 영향을 줄 수 있는 카탈로그 로봇에 대한 변경을 회피하고, 그 대신에 보다 더 경제적이고, 효율적이며 간단한 해결책으로 이루어진, 3차원 비전 장비, 컴퓨터 시스템, 통신 모듈 및 제어 소프트웨어에 의해 형성된 해결책을 이용한다.

본 발명은 드릴링, 카운터싱킹 및 리벳팅 공정의 최적화 및 개선을 허용하여, 가요성 셀들의 가요성, 생산성 및 효율성을 개선하고, 비용의 절감이 상당한 제조 기술의 혁신에 기여한다는 사실로부터 발생하는 이점들이 특히 주목할 만 하다.

본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해서, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 바람직한 실시예가 첨부된 도면에 도시되어 있다.
상기 도면에서, 도 1은 헤드, 로봇, 컴퓨터 제어 시스템, 로봇 제어기 모듈 및 통신 모듈의 완전 조립체의 블럭도를 나타내고 있다.
도 2는 헤드의 사시도를 나타내고 있다.
도 3은 헤드의 저면도 및 정면도를 나타내고 있다.
도 4는 헤드의 측단면도를 나타내고 있다.
도 5는 종형 이동 장치의 상세를 갖는, 헤드 부분의 사시도를 나타내고 있다.
도 6은 압력 풋의 사시도를 나타내고 있다.
도 7은 교정 공구의 정면도, 평면도 및 단면도를 나타내고 있다.

본 발명의 주제인 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드 및 절차는, 로봇 제어기 모듈(2)에 의해 제어되는 다양한 기계가공 작업, 특히 드릴링 및 리벳팅을 수행하도록 로봇 아암(1)과 연계되어 있고, 기본적으로 첨부된 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 기계가공 공구(4)를 둘러싸며, 기계식 잠금부(6)가 구비된 종형 이동 장치(5)와 연계되는 압력 풋(3), 적어도 2개의 비디오 카메라(7)가 구비되며, 특정 소프트웨어(9)가 구비된 컴퓨터(8)에 연결되는 3-D 타입 비전 장비, 및 통신 모듈(10)을 포함한다. 통신 모듈(10)은 특정 하드웨어 장치 또는 특정 소프트웨어(9)의 일부일 수 있다.

비전 장비는 선택적으로 압력 풋(3) 내측에 십자 형상 빔을 투영하는 레이저 장치(15)를 포함할 수 있음이 예상된다. 드릴링하려는 워크피스 상으로의 이러한 십자 형상 빔의 투영은 인공 비전 카메라에 의해 사용되어 워크피스에 대하여 헤드의 방위를 알게 한다.

로봇 제어기 모듈(2)은 외부 CNC 또는 그의 제조사에 의해 제공된 동일한 로봇 제어기일 수 있다.

압력 풋(3)은, 기계가공 공구(4)를 둘러싸며, 비디오 카메라(7)가 압력 풋(3) 내측에 위치한 기계가공 공구(4) 및 그의 작업 표면 및 레이저 장치(15)의 투영을 볼 수 있게 하는 측면 창(11)이 구비된 후드(hood)에 의해 형성된다. 압력 풋(3)의 이들 측면 창(11)은 압력 풋(3) 내측에 위치한 기계가공 공구(4)의 비디오 카메라(7)의 보기를 차단하여 기계가공 동안에 부스러기가 나오는 것을 방지하는 폐쇄부(closure)(12)를 갖는다.

압력 풋(3)의 측면 창(11)의 폐쇄부(12)는, 바람직한 실시예에서, 압력 풋(3)에 대하여 회전하는 능력을 갖는, 압력 풋(3)의 동심원의 제2 후드(13)에 의해 달성되며, 상기 제2 후드(13)는 개방 위치에서 측면 창(11)과 일치하며, 제2 후드(13)와 압력 풋(3) 간의 회전을 통해, 폐쇄 위치에서 측면 창(11)과 불일치하게 해서 압력 풋(3)을 폐쇄하는 개구를 구비한다. 이러한 동심원의 제2 후드(13)는 압력 풋(3) 내측 또는 외측일 수 있다.

통신 모듈(10)을 통해 로봇 제어기 모듈(2)과 로봇 아암(1) 사이에 연결되는 컴퓨터(8)는, 비전 장비를 형성하는 비디오 카메라(7)에 의해 수신된 영상에 따라 로봇 제어기 모듈(2)의 명령들에 대한 보정을 수행한다.

비전을 갖는 이러한 기계가공 헤드는 수개의 단계로 분할된 다음의 특정 동작 절차를 수반한다. 기계가공하려는 워크피스에 대하여 측정하는 제1 단계, 타깃 작업 지점에서 헤드를 위치 맞춤하는 제2 단계, 비전에 의해 헤드의 위치를 보정하는 제3 단계 및 기계가공 또는 특정 동작의 제4 단계.

측정하는 제1 단계에서는, 로봇의 위치 맞춤 정확도를 향상시키기 위해서, 비전 장비를 형성하는 비디오 카메라(7)를 통해, 기계가공하려는 영역에 근접한 구역 내에서, 기계가공하려는 워크피스 상에서 참조 지점들이 촬영되고, 2개의 지점의 최소값을 취하여 가상선을 작도하거나, 또는 참조 평면이 결정되어야 하는 경우에는, 시스템이 적어도 3개의 지점을 필요로 할 것이다.

이러한 목적을 위해, 참조 지점들이 제1 스텝에서 결정된다. 제2 스텝에서, 사전에 계산된 참조 지점들이 작성하는 선 또는 평면 상의 위치 맞춤이 결정되고, 제3 스텝에서 컴퓨터(8)에 포함된 특정 소프트웨어(9)를 통해, 로봇(2)이 촬영된 참조 지점들 사이의 중간 지점으로 유도되는 경우에 행하려고 하는 위치 맞춤 에러들의 예측 또는 추정이 이루어지고, 이에 따라 최종 위치가 보정될 수 있다.

참조 지점들이 결정되는 제1 스텝은 다음의 동작들을 포함한다.

· 참조 지점 1은 위치 1에서 비전 장비로 측정된다.

· 측정된 데이터에 의해, 로봇(2)이 현재 위치 2를 새로운 위치 1로 재위치한다.

· 기계가공 헤드는 병진/회전을, 바람직하게는 10mm(nm) 수행한다.

· 로봇(2)이 위치 2로 복귀한다.

· 참조 지점 1이 재차 측정된다.

· 측정된 데이터에 의해, 로봇(2)이 현재 위치 3을 새로운 위치 2로 재위치한다.

· 기계가공 헤드가 병진/및 회전을, 바람직하게는 10mm(nm) 수행한다.

· 로봇(2)이 위치 3으로 복귀한다.

· 참조 지점 1이 측정되고 제어 지점으로서 저장된다.

이들 동작이 반복되어 각각의 참조 지점들을 결정한다.

사전에 계산된 참조 지점들에 의해 작성된 선 또는 평면 상의 위치 맞춤이 결정되는 제2 스텝은 다음의 동작들을 포함한다.

· 각각의 2개의 참조 지점 간의 실제 거리가 입력된다.

· 컴퓨터(8)에 포함된 특정 소프트웨어(9)를 통해, 상기 참조 지점들의 실제 값에 의해 결정되는, 참조 지점들에 의해 작성된 선 또는 평면의 중간 지점들에 적용되어야 하는 보정이 계산된다.

기계가공하려는 구역 내에 헤드를 위치 맞춤시키는 제2 단계는, 로봇 제어기 모듈(2)가 명령한 로봇 아암(1)의 이동을 통해, 헤드를 기계가공이 요구되는 좌표로 이동시키는 제1 스텝을 포함한다.

비전 장비를 통해 헤드의 위치를 보정하는 제3 단계는 기계가공하려는 물질 또는 표면의 타입에 따라 다음의 두 가지 방식으로 수행되는 제1 스텝을 포함한다.

· 광택이 없거나 또는 연마되지 않은 보통 표면의 경우, 개방 위치에 있을 압력 풋(3)의 측면 창들(11)을 통해, 비전 장비를 형성하는 비디오 카메라들(7)에 의해 워크피스의 참조 영상이 촬영되고, 여기서 컴퓨터(8)에 포함된 특정 소프트웨어(9)를 통해 워크피스의 거칠기를 분석함으로써, 로봇(2)을 변형시키는 힘의 인가 전에 타깃 지점이 탐색될 수 있고, 워크피스의 거칠기의 영상에 의해 타깃 지점을 식별한다.

· 매우 광택이 있거나 연마된 표면의 경우, 헤드 그 자체는, 추가 힘의 인가 시에 개방 위치에 있을 압력 풋(3)의 측면 창들(11)을 통해, 비전 장비를 형성하는 비디오 카메라들(7)에 의해 참조 영상이 촬영될 워크피스 표면의 타깃 지점에 대하여 기계가공 공구로 가볍게 행하는, 소형 마크 또는 펙킹을 형성하고, 참조로서 상기 마크의 영상에 의해 타깃 지점을 식별한다.

비전 장비에 의해 헤드의 위치를 보정하는 제3 단계는 종형 이동 장치(5)에 의해, 압력 풋(3)을 기계가공하려는 표면 상으로 하강시키는 제2 스텝으로 진행한다. 기계가공하려는 구역 상에 압력 풋(3)에 의해 인가된 결과적인 힘에 의한 이러한 하강은, 위치 에러를 수반하는, 원래 요구되는 위치 및 방위로부터의 편차를 포함하는 로봇 아암(1)의 이동을 초래한다. 다음에, 개방 위치에 잔류할 압력 풋(3)의 측면 창들(11)을 통해 비전 장비를 형성하는 비디오 카메라들(7)에 의해 현재 얻어진 영상을 제1 스텝에서 얻어지고 참조로서 사용되는 참조 영상과 비교하는 비전 시스템이, 요구되는 방향으로 이동하도록 하는 로봇 아암(1)에 대한 명령을 생성하며, 압력 풋(3)의 측면 창들(11)을 통해, 기계가공하려는 표면의 다른 영상을 재차 촬영하고, 그 영상이 참조 영상과 일치할 때까지, 즉 현재 동작 지점의 좌표들이 헤드를 위치 맞춤하는 제2 단계에서 수립된 것들과 일치하고, 달성된 방위가 제1 스텝에서 얻어진 참조의 방위일 수 있거나, 또는 동작 지점에서 표면에 대하여 단순히 법선일 수 있는 요구되는 방위와 일치할 때까지 이 단계를 반복하여, 압력 풋(3)의 뒤틀림(warping) 에러 및 이동 에러를 제거하는, 제3 스텝이 뒤따른다.

기계가공하는 제4 단계는 압력 풋(3)의 종형 이동 장치(5)의 기계식 잠금부(6)의 제1 스텝, 압력 풋(3)의 측면 창들(11)의 폐쇄부들(12)의 활성화의 제2 스텝 및 기계가공 공구(4)를 압력 풋(3) 내측에 배치하여 표면에 대한 기계가공을 수행하는 제3 스텝을 포함한다.

선택적으로, 사전 교정 단계가 포함될 수 있고, 이 단계는, 상기 교정 단계에서 3개의 좌표계, 즉 기계가공 공구의 좌표계, 비전 시스템의 좌표계 및 로봇 제어기의 좌표계 간에서 상관 관계를 찾는 방식으로, 교정 공구(14)를 사용하여 헤드의 동작 파라미터들을 조정하는 것으로 이루어진다.

비전 장비는 또한 로봇 아암(1)이 예를 들어 수직성의 실시간 측정, 타깃들의 측정, 직경들의 측정, 리벳들의 품질 제어 및 그 외의 것들과 같은 추가적인 특징들이 제공될 수 있게 한다.

Claims

로봇 제어기 모듈(2)에 의해 제어되는, 드릴링 및 리벳팅과 같은 다양한 기계가공 작업을 수행하도록, 로봇 아암들(1)과 산업적으로 연계되어 사용되는 타입의 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드로서,
- 기계가공 공구(4)를 둘러싸는 압력 풋(3) - 상기 압력 풋(3)은 기계식 잠금부(6)가 구비된 종형 이동 장치(5)와 연계되고,
- 적어도 2개의 비디오 카메라(7)가 구비되고, 특정 소프트웨어(9)가 구비된 컴퓨터(8)에 연결되는 비전 장비, 및
- 통신 모듈(10)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드.
제1항에 있어서,
상기 비전 장비는 십자 형상 빔을 투영하는 레이저 장치(15)를 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드.
제1항에 있어서,
상기 압력 풋(3)은, 상기 비디오 카메라들(7)이 상기 압력 풋(3) 내측에 배치된 상기 기계가공 공구(4) 및 그의 작업 표면을 볼 수 있게 하는 측면 창들(11)들이 구비된 후드(hood)에 의해 형성되는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드.
제3항에 있어서,
상기 압력 풋(3)의 상기 측면 창들(11)은 상기 압력 풋(3) 내측에 배치된 상기 기계가공 공구(4)의 상기 비디오 카메라들(7)의 보기를 차단하여, 기계가공 동안에 부스러기가 나오는 것을 방지하는 폐쇄부들(12)을 갖는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드.
제4항에 있어서,
상기 압력 풋(3)의 상기 측면 창들(11)의 상기 폐쇄부들(12)은, 상기 압력 풋(3)에 대하여 회전하도록 하는 능력이 구비되고, 개방 위치에서 상기 측면 창들(11)과 일치하며 상기 압력 풋(3)의 폐쇄 위치에서 비일치하는 개구부들이 구비되는 상기 압력 풋(3)의 동심원의 제2 후드(13)에 의해 달성되는, 3D 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 기재된 바와 같은 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법으로서,
상기 비전 장비를 형성하는 상기 비디오 카메라 또는 비디오 카메라들(7)로부터 수신된 영상에 따라 상기 로봇 제어기 모듈(2)의 명령(order)들에 대한 보정을 수행하며,
- 기계가공하려는 워크피스에 대하여 측정하는 제1 단계,
- 타깃 작업 지점에서 상기 헤드를 위치 맞춤(positioning)하는 제2 단계,
- 비전을 통해 상기 헤드의 위치 및 방위를 보정하는 제3 단계, 및
- 기계가공 또는 상기 장치가 디자인되어 있는 특정 동작의 제4 단계
를 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제6항에 있어서,
상기 측정하는 제1 단계에서는, 참조 지점들이 기계가공하려는 영역에 근접한 구역 내의 기계가공하려는 워크피스 상에서, 상기 비전 장비를 형성하는 상기 비디오 카메라들(7)을 통해 촬영되어, 가상선을 작도하는 2개의 지점의 최소값, 또는 참조 평면을 결정하는 3개의 지점의 최소값을 취득하고,
- 상기 참조 지점들을 결정하는 제1 스텝,
- 상기 사전에 계산된 참조 지점들이 작성하는 선 또는 평면 상에서 상기 위치 맞춤을 결정하는 제2 스텝, 및
- 상기 컴퓨터(8)에 포함된 특정 소프트웨어(9)를 통해, 로봇(2)이 상기 촬영된 참조 지점들 간의 중간 지점으로 유도되는 경우에 상기 로봇(2)이 행하려고 하는 위치 맞춤 에러들을 예측 또는 추정하는 제3 스텝을 포함하고, 이에 따라 최종 위치가 보정될 수 있는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제7항에 있어서,
상기 참조 지점들을 결정하는 제1 스텝은,
- 참조 지점 1을 위치 1에서 상기 비전 장비로 측정하는 제1 동작,
- 상기 측정된 데이터에 의해, 상기 로봇(2)이 현재 위치 2를 새로운 위치 1로 재위치하는 제2 동작,
- 상기 기계가공 헤드가 병진(translation)/회전을 수행하는 제3 동작,
- 상기 기계가공 헤드가 위치 2로 복귀하는 제4 동작,
- 참조 지점 1을 재차 측정하는 제5 동작,
- 상기 측정된 데이터에 의해, 상기 로봇(2)이 현재 위치 3을 새로운 위치 2로 재위치하는 제6 동작,
- 상기 기계가공 헤드가 병진/회전을 수행하는 제7 동작,
- 상기 기계가공 헤드가 위치 3으로 복귀하는 제8 동작, 및
- 참조 지점 1을 측정하고 제어 지점으로서 저장하는 제9 동작을 포함하고, 이들 동작은 상기 참조 지점들 각각에 대하여 반복되는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제7항에 있어서,
상기 사전에 계산된 참조 지점들이 작성하는 선 또는 평면 상에서 상기 위치 맞춤을 결정하는 제2 스텝은,
- 각각의 2개의 참조 지점 간의 실제 거리를 입력하는 제1 동작, 및
- 상기 컴퓨터(8)에 포함된 상기 특정 소프트웨어(9)를 통해, 상기 참조 지점들의 실제 값에 의해 결정되는, 상기 참조 지점들에 의해 생성된 상기 선 또는 평면의 중간 지점들에 적용되어야 하는 보정이 계산되는 제2 동작을 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제6항에 있어서,
기계 가공하려는 구역 내에 상기 헤드를 위치 맞춤시키는 제2 단계는, 상기 로봇 제어기 모듈(2)이 명령한 상기 로봇 아암(1)의 상기 이동을 통해, 상기 헤드를 기계가공이 요구되는 좌표들로 이동시키는 스텝을 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제6항에 있어서,
비전을 통해 상기 헤드의 위치를 보정하는 상기 제3 단계는, 광택이 없거나 연마되지 않은 보통의 표면들의 경우, 개방 위치에 있을 상기 압력 풋(3)의 상기 측면 창들(11)을 통해, 상기 비전 장비를 형성하는 상기 비디오 카메라들(7)에 의해 상기 워크피스의 참조 영상을 촬영하여, 상기 컴퓨터(8)에 포함된 상기 특정 소프트웨어(9)를 통해 그의 거칠기를 분석하고 이와 관련하여 동작 지점을 탐색(locating)하는 제1 스텝을 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제6항에 있어서,
비전을 통해 상기 헤드의 상기 위치를 보정하는 상기 제3 단계는, 매우 광택이 있거나 연마된 표면들의 경우, 추가 힘의 인가 전에, 개방 위치에 있을 상기 압력 풋(3)의 상기 측면 창들(11)을 통해, 상기 비전 장비를 형성하는 상기 비디오 카메라들(7)에 의해 참조 영상이 촬영될 상기 워크피스 표면 상의 타깃 지점 상에서 상기 기계가공 공구(4)로 가볍게 행하는, 소형 마크 또는 펙킹(pecking)을 형성하여, 참조로서, 상기 마크의 상기 영상에 의해 상기 타깃 지점을 식별하는 제1 스텝을 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제12항에 있어서,
비전에 의해 상기 헤드의 상기 위치를 보정하는 상기 제3 단계는,
- 상기 종형 이동 장치(5)에 의해, 기계가공하려는 구역 상에 상기 압력 풋(3)에 의해 인가된 결과적인 힘이, 위치 맞춤 에러를 수반하는 원래 요구되는 상기 위치 및 방위로부터의 편차를 포함하는 상기 로봇 아암(1)의 이동을 초래하는 기계가공하려는 상기 표면 상으로 상기 압력 풋(3)을 하강시키는 제2 스텝, 그 다음에
개방 위치에 잔류할 상기 압력 풋(3)의 상기 측면 창들(11)을 통해 상기 비전 장비를 형성하는 상기 비디오 카메라들(7)에 의해 현재 얻어진 영상을 상기 제1 스텝에서 얻어진 참조 영상과 비교하는 비전 시스템이, 요구되는 방향으로 이동하도록 하는 상기 로봇 아암(1)에 대한 명령을 생성하고, 상기 압력 풋(3)의 상기 측면 창들(11)을 통해 기계가공하려는 상기 표면의 다른 영상을 재차 촬영하고, 상기 영상이 동작 지점 주위의 상기 참조 영상과 일치할 때까지, 즉 현재의 동작 지점의 좌표들이 상기 헤드를 위치 맞춤하는 상기 제2 단계에서 수립된 좌표들과 일치하고, 달성된 상기 방위가 상기 제1 스텝에서 얻어진 참조의 방위일 수 있거나, 상기 동작 지점에서 표면에 대하여 단순히 법선일 수 있는 요구되는 방위와 일치할 때까지 이 단계를 반복하는 제3 스텝을 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제6항에 있어서,
상기 기계가공하는 제4 단계는,
- 상기 압력 풋(3)의 상기 종형 이동 장치(5)의 기계식 잠금부의 제1 스텝,
- 상기 압력 풋(3)의 상기 측면 창들(11)의 상기 폐쇄부들(12)의 활성화의 제2 스텝, 및
- 상기 기계가공 공구(4)를 상기 압력 풋(3) 내측에 배치하여, 상기 표면의 기계 가공을 수행하는 제3 스텝을 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.
제6항에 있어서,
상기 동작 방법은 사전 선택적 교정 단계를 포함하며,
상기 사전 선택적 교정 단계는, 상기 교정 단계에서 상기 기계가공 공구의 좌표계, 비전 시스템의 좌표계 및 로봇 제어기의 좌표계 간에서 상관 관계를 찾는 이러한 방식으로, 교정 공구(14)를 사용하여 상기 헤드의 동작 파라미터들을 조정하는 것을 포함하는, 비전을 갖는 자동화 기계가공 헤드의 동작 방법.