SE508176C2 - Anordning och förfarande för kalibrering av en fleraxlig industrirobot - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 508 176 j 2 kinematikparametrarna ej är exakt lika för varje robot måste de individuella avvikelserna från en ideal robot, dvs robotens kinematiska felparametrar, vara kända om hög noggrannhet skall uppnås.

Exempel på kinematiska felparametrar är variationer i armarnas längd, s k armlängdsfel, snedheter i vridningsaxlarna i förhållande till varandra, s k axelattitydfel och sidoför- skjutningar hos axlarna i förhållande till varandra, s k axel- offsetfel. Dessa avvikelser uppstår vid tillverkningen av de olika mekaniska komponenterna och vid hopmonteringen av dessa.

Därtill kommer även att den av en axels lägesgivare indikerade vinkeln med stor noggrannhet måste överensstämma med den verkliga vridningsvinkeln hos den arm som styrs med hjälp av axeln i fråga, s k synkfel.

För bestämning av en enskild robots avvikelse från en ideal robot används olika former av kalibreringsförfaranden. Ett stort antal kalibreringsförfaranden är kända. En nackdel med vissa av dessa förfaranden är att de inte klarar av att göra en fullständig kalibrering, dvs bestämma både armlängdsfel, axelattitydfel, axeloffsetfel, nedböjningsfel för alla robotens axlar. En nackdel med de kända synkfel, transmissionsfel och förfaranden som klarar av att göra en fullständig kalibrering är att de kräver en dyrbar och ömtålig kalibreringsutrustning t ex teodoliter.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN, Uppfinningen avser att åstadkomma en kalibreringsmetod som - klarar att kalibrera samtliga axlar på en sexaxlig robot samt verktygets montering och monteringen av robotens fot, - klarar att kalibrera armlängdsfel, axelattitydfel, axeloffsetfel, synkfel, transmissionsfel, - inte kräver någon dyrbar utrustning, - ger hög noggrannhet, - användbar under fältmässiga förhållanden, t ex i en produktionsline för bilar, 10 15 20 25 30 35 3 598 176 - användbar utan att det robotburna verktyget behöver demonteras, - Användbar vid helautomatisk kalibrering, t ex vid slutprovning av robotar, - är snabb och kan utföras pà kort tid utan omständiga justeringar av robotpositioner.

Uppfinningen avser även att åstadkomma en kalibreringsutrustning att användas i nyss nämnda kalibreringsförfarande, där utrustningen - har ett làgt pris, - är robust nog att klara verkstadsmiljö, - är bärbar och därmed lätt att transportera, - ej behöver kalibreras.

Vad som kännetecknar ett förfarande och en utrustning enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Robotens konfiguration definieras av vinklarna hos dess vridningsaxlar, och en konfiguration skiljer sig fràn en annan om åtminstone någon av axelvinklarna ändras.

F IGURBESKRIVN ING Figur 1 visar schematiskt en industrirobot vilken kan kalibreras med ett förfarande enligt uppfinningen.

Figur 2 visar robotens olika koordinatsystem.

Figur 3 visar schematiskt en enkel utföringsform av en mätutrustning enligt uppfinningen vilken är lämplig att användas under fältmässiga förhållanden.

Figur 4a och 4b visar principen för hur en rotationsaxel med hög precision bestämmes med en gravitationssensor.

Figur Sa - Sd visar schematiskt en utföringsform av en mätutrustning enligt uppfinningen vilken är lämplig att användas 10 15 20 25 30 35 508 176 W 4 vid ett automatiskt kalibreringsförfarande. Figur 5b visar ett snitt A-A i figur 5a.

Figur 5e visar en utföringsform av ett kalibreringsverktyg enligt uppfinningen.

Figur 6a och 6b visar alternativa utföringsformer av organ för anslutning till en referenspunkt.

Figur 7a visar en utföringsform av ett organ anordnat för att stà i kontakt med roboten under kalibreringsförfarandet.

Figur 7b visar ytterligare en utföringsform av ett kalibrerings- verktyg enligt uppfinningen.

Figur 8 och 8a - 8b visar en utföringsform av en mätutrustning enligt uppfinningen vilken innefattar ett optiskt mätsystem.

Figur 8 visar en mätanordning och figur 8a - 8b visar alternativa placeringar och utföranden av ett kalibrerings- verktyg för optisk mätning.

Figur 8c visar en utföringsform av en mätutrustning med beröringsfri icke optisk sensor.

Figur 9 visar hur mätanordningen och kalibreringsverktyget i figur Sa anordnas för mätning av synkroniseringsfelet hos axel A5 samt attityd och offsetfel hos axel A6 relativt axel A4.

Figur lOa visar hur kalibreringsverktygets attitydfel i y-led beräknas.

Figur 10b visar hur attitydfelet för axel A6 i y-led beräknas.

Figur lOc visar hur synkroniseringsfelet för axel A5 beräknas.

Figur l0d visar hur offsetfelet för axel A6 relativt axel A4 i z-led beräknas. 10 15 20 25 30 35 5 508 176 Figur lla och llb visar en mätuppställning för uppmätning av attitydfel hos axel A1 relativt gravitationsriktningen och synkfel för axel A3 - A6.

Figur 12a och l2b visar en mätuppställning för uppmätning av attitydfel och offsetfel hos axel Al relativt verktygsgolvet och synkfel hos axel Al, A2 och A3.

Figur 13 och 14 visar en mätuppställning för uppmätning av attitydfel hos axel A3.

Figur 15 visar en mätuppställning för uppmätning av attitydfel hos axel A2.

I figur 16 visar en mätuppställning för uppmätning av armlängdsfel.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar ett exempel pà en känd industrirobot vilken med fördel kan kalibreras med förfarandet och anordningen enligt uppfinningen. På ett underlag l är robotens fot 2 fast monterad.

Roboten har en första arm 3, som är vridbar i förhållande till foten 2 runt en vertikal axel Al. I den första armens övre ände är en andra robotarm 4 lagrad och vridbar i förhållande till den första armen runt en andra axel A2. I den andra armens ytterände är en tredje arm 5 lagrad och vridbar i förhållande till den andra armen runt en axel A3. Den tredje robotarmen 5 bestàr av tvá delar 5a och 5b, förhållande till den inre delen 5a runt en med armens längdaxel varvid den yttre delen 5b är vridbar i sammanfallande vridaxel A4. Den tredje armen 5 uppbär i sin yttre ände en fjärde arm 6, vilken är vridbar runt en mot den tredje armens längdaxel vinkelrät vridningsaxel A5. Den fjärde armens yttre del utgörs av ett verktygsfäste 6a som är vridbart i förhållande till den fjärde armens inre del runt en vridningsaxel A6. Vridningsvinklarna i de sex vridningsaxlarna Al...A6 betecknas i figuren med 61m96. Pà verktygsfästet är ett kalibreringsverktyg 7 monterat. Den fjärde armen och verktygs- fästet kallas för robotens hand. 10 15 20 25 30 35 508 176 Figur 2 visar med en enkel skiss kinematiken för den sexaxliga roboten i figur 1 och dess tillhörande koordinatsystem. Roboten L2f L3, vilket innebär att det kan finnas fyra armlängdsfel som har fyra aktuella armlängder som betecknas L1, L4, betecknas AL1, AL2, AL3, AL4. De nominella armlängerna betecknas L1n°m, Lgnom, L3n°m, L4n°m. Den aktuella armlängden utgör summan av den nominella armlängden och armlängdsfelet. Den första armlängden L1 är avståndet mellan origo i det s k baskoordinatsystemet (se nedan) och axel A2. Den andra armlängden L2 är avståndet mellan axel A2 och axel A3. Den tredje armlängden L3 är avståndet mellan axel A3 och axel A5.

Den fjärde armlängden L4 är avståndet mellan axel A5 och verktygsfästet 6a.

I robotens fot finns ett baskoordinatsystem (xl,yl,zl), som är ett ortogonalt koordinatsystem med zl-axeln sammanfallande med vridningsaxel Al och med xl-axeln i förutbestämd riktning relativt robotfoten (normalt pekande rakt fram). Axel Al har ett synkfel A91, tvà offsetfel Olxl, Olyl, och tvá attitydfel $lx1, Qlyl. Axel A2 är parallell med yl-axeln i baskoordinatsystemet och har ett synkfel A62 och två attitydfel $2x1, $2z1. Attityd- felen $2x1 och $2Z1 definieras som de riktningsfel axel A2 erhåller vid vridning kring en axel parallell med axel xl respektive axel 21. Attitydfelet $2y1 är samma fel som synkfelet A62.

Skärningspunkten mellan axel Al och axel A2 utgör origo i ett y2, 22). koordinatsystemet är parallell med den andra robotarmen, och y2- axeln sammanfaller med axel A2. Axel A3 har ett synkfel A63 och två attitydfel $3x2, $3z2. Axel A3 har ett offsetfel i x2-led, men det ingå i synkfelet för axel A2, dvs A92. andra koordinastsystem (x2, Z2-axeln i det andra Skärningspunkten mellan axel A3 och axel A4 utgör origo i ett (x3, y3, z3). koordinatsystemet sammanfaller med axel A4, sammanfaller med axel A3. Axel A4 har ett synkfel A94, tvâ tredje koordinastsystem X3-axeln i det tredje och y3-axeln offsetfel O4y1 och 0423 i förhållande till axel Al respektive 10 15 20 25 30 35 v 508 176 axel A3, och tvá attitydfel 04y3, $4z3. Axel A5 har ett synkfel A05, tvà attitydfel QSX3, $5z3. Axel A5 har ett offsetfel i z3- led, men det ingàr i synkfelet för axel A3, dvs A93.

Origo i det femte koordinatsystemet (x5, y5, z5) utgörs av skärningspunkten mellan axel A5 och axel A6. X5-axeln i det tredje koordinatsystemet sammanfaller med axel A6, sammanfaller med axel A5. Axel A6 har ett synkfel A96, tvà offsetfel O6y5, 0625, och två attitydfel $6y5, $6z5. Attitydfelet och y5-axeln $6z5 ingår i Synkfelet A95. Samtliga parametrar är definierade då roboten i figur 2 stàr i sitt s k synkläge, dvs dà den andra armen är vertikal och den tredje och den fjärde armen är horisontal.

Figur 3 visar en enkel utföringsform av en kalibrerings- utrustning enligt uppfinningen. Kalibreringsutrustningen innefattar en mätanordningen 10 som i sin tur innefattar en mätstav ll vars ena ände är utformad som en spets 12 för (XOfYOf20) precisionshàl 13 i robotfoten eller i det golv eller den anslutning till en referenspunkt i ett första anordning pà vilken robotfoten är monterad 14. Mätstavens andra ände innefattar en fjädrande mätspets 15 för anslutning till en (Xr:Yrf2r) precisionshàl 16, vilket är anordnat i en robotarm eller i ett förutbestämd mätpunkt pà roboten i ett andra robotburet kalibreringsverktyg 17. Den fjädrande mätspetsen kan alternativt innefatta en positionssensor för avstándsmätning i z-led. Mätstaven 11 har en rotationsaxel lla som skär genom referenspunkten (x0,y0,z0)) och mätpunkten (xr,yr,zr).

Mätanordningen 10 innefattar vidare en gravitationssensor 18 anordnad pà en sensorhylla 19, vilken är anordnad pà mätsonden 11 och i huvudsak vinkelrät ut fràn denna. Gravitationssensorn mäter vinkeln mellan gravitationsvektorn och en referensaxel 20 som skär genom referenspunkten (x0,y0,z0) och mätpunkten (xr, yr,zr). Gravitationssensorn kan t ex vara ett elektroniskt vattenpass.

I figur 4a och 4b visas principen för hur en rotationsssaxel 21 med hög precision bestämmes med en gravitationssensor 18, Den vinkel G som ska bestämmas är rotationsaxelns medelriktning 22, 10 15 20 25 30 35 508 176 8 relativt gravitationskraftens riktning 23. Detta innebär att rotationsaxeln 21 i figur 4a har riktningen a-§/2, där §/2 är spin-amplituden då sensorn vrides runt rotationsaxeln, och att rotationsaxeln 21 i figur 4b har riktningen a+-Q/2. En gravitationssensor 18, med ett offsetfel Ö och med ett monteringsfel ß, 25, rotationsaxeln 21. Vinklar anges relativt gravitationsvektorn är monterad sá att gravitationssensorns axel dvs dess nollriktning, i huvudsak skall vara parallell med med positiv vinkel medurs. Sensorns utslagsriktning 24 beror bl a av offsetfelet aoch monteringsfelet ß. Sensorns utsignal i figur 4a ges av skillnaden mellan utslagsriktningen 24 och nollriktningen 25: uS1=KS(-a+š/2-ß-ö). <1) KS är sensorns känslighet.

I figur 4b har sensorn vridits 1800 kring rotationsaxeln 22.

Sensorns utsignal blir dá: us; =KS< a+ E_,/2 -ß -8) <2) (usz - Hsu/z = Ks - <1 (3) Differensen mellan sensorns utslag för de tvâ mätningarna är således proportionell mot rotationsaxelns medelriktning a relativt gravitationskraftens riktning. Således kommer varken sensorns monteringsfel ß eller offsetvinkel Ö att påverka mätresultatet, varför sensorn kan monteras pà ett enkelt sätt och en sensor utan absolutkalibrering kan användas. Dessutom kommer eventuella centreringsfel § som ger upphov till spin hos rotationsaxeln att kompenseras bort.

Mätanordningen i figur 3 kan t ex användas för att bestämma koordinaterna för mätpunkten (xr,yr,yr). Mätanordningen ansluts till de båda precisionshàlen 13 och 16, och roteras därefter tre gånger ett fjärdedels varv, varvid gravitationssensorn avläses vid vinklarna O, E/2, R och 3n/2. Motsvarande sensorutslag är 10 15 20 25 30 35 9 5Û8 176 uso, usfi/2, ugn och u33¶/2, och med hjälp av dessa värden kan mätstavens lutning i x- och y-led beräknas enligt: (IX = (1150 _ 1151:) /ZKS (4) dy (ugn/2 - us3n/2)/2Ks (5) Om mätsondens längd är Ls kan mätpunktens koordinater (xr, yr) beräknas enligt: Xr X0 + LS $in(ax) yr = yo + Ls sin(ay) (7) Denna enkla utföringsform av mätanordningen lämpar sig för kalibrering under fältmässiga förhållanden, varvid mät- anordningen vrides runt manuellt eller genom att axel A6 hos roboten driver runt den. För att kunna använda mätanordningen i figur 3 vid ett automatiskt kalibreringsförfarande kan en enkel motor användas för att rotera sensorn till de fyra olika vinklarna. Roboten måste också kunna släppa mätsonden för att kunna mäta position vid olika z-koordinater utmed mätanordningen och mot olika mätpunkter pà roboten.

Figur Sa visar ett exempel pà hur en fristående mätanordning 30, med ett tillhörande kalibreringsverktyg 41, som lämpar sig för automatisk kalibrering, kan vara utformad. Figur 5b visar mätanordningen och kalibreringsverktyget i ett snitt A-A i figur Sa. Mätanordningen 30 innefattar en cylinderformad mätstav 31 vars ena ände är utformad som en spets 32 för anslutning till en (XOfY0f20) 40, och vars andra ände innefattar en positionssensor 33 för referenspunkt i robotfoten eller pà verkstadsgolvet mätning av avståndet till referenspunkten i z-led. I den ände av mätstaven som ansluts till referenspunkten är en balansvikt 38, i form av en cirkulär skiva, anordnad för balansering av mät- staven. För att ge mätanordningen ett vertikalt viloläge är ett antal fjädrar 43a, 43b monterade mellan balansvikten och underlaget 40. vinkeln axmax bestämmer arbetsomràdets gräns för (Xx. 10 15 20 25 30 35 508 176 410 Mätanordningen 30 innefattar vidare en gravitationssensor 34 och en motor 35a, anordnad för att rotera t ex en stegmotor, gravitationssensorn runt sin axel 36 och en motvikt 35b till motorn 35a. Gravitationssensorns rotationsaxel 36 uppmätes relativt mätstavens rotationsaxel 37 genom att rotera mätstaven.

Det räcker att göra detta en gång. Gravitationssensorn 34, motorn 35a och dess motvikt 35b är anordnade pà balansvikten 38.

För definiering av x-axelriktningen är en styrpinne 39 anordnad i robotfoten eller pà verkstadsgolvet 40. Under kalibrerings- förfarandet stàr roboten i kontakt med mätstaven via ett kalibreringsverktyg 41.

Figur 5c visar kalibreringsverktyget sett fràn sidan.

Kalibreringsverktyget innefattar en cylinderformad stav 4la pà vilken tvá cylínderformade skänklar 46a och 46b är anordnade vinkelrät ut fràn staven 4la. De tvà skänklarna möjliggör mätning med mätanordningen 30 i tvà olika positionen, POS A och POS B. Mätanordningen 30 är försedd med en hake 47 som kan bakas på en spàrförsedd hållare 48 som är anordnad pà kalibrerings- verktyget. Genom att haka fast mätanordningen på kalibrerings- verktyget kan mätanordningen lyftas upp fràn precisionshàlet 13.

Mätanordningen kan behöva lyftas upp dels vid flyttning mellan olika precisionshàl, och dels vid mätning av axelriktningar hos roboten.

Om avståndet LS mellan referenspunkten och en (XÛIYÛI ZÛ) mätpunkt (xr,yr,zr) på kalibreringsverktyget är känt, se figur Sa, kan xr och yr för mätpunkten bestämmas med följande förfarande: - mätanordningen och kalibreringsverktyget körs till kontakt med varandra, - gravitationssensorn roteras tre fjärdedels varv och avläses vid vinklarna 0, n/2, K, 3I/2. Motsvarande sensorutslag är uso, Usn/2: Usfl 0Ch Us3n/2, - mätstavens lutning i x- och y-led (QX, dy) beräknas enligt ekvation 4 och 5. - mätpunktens koordinater och 7. (xr, yr) beräknas enligt ekvation 6 10 15 20 25 30 35 u 508 176 Skillnaden i mätpunktens läge mellan tvá olika mätningar erhålles vid smà vinkelskillnader Aux, Aay: AXm =-' Ls Aux (8) Aym = Ls Ally ( Axm Mätstavens förflyttning i x-led, se figur 5d.

Aym Mätstavens förflyttning i y-led.

Denna utföringsform av kalibreringsutrustningen kan direkt användas för att i en sekvens automatiskt kalibrera vridnings- samt axel A1 - A6 med avseende på synkfelet, för att mäta upp de flesta av robotens kinematiska felparametrar.

Istället för en roterande gravitationssensor kan tvà gravitationssensorer anordnade vinkelrät mot varanda användas.

Dessa kalibreras genom rotation av mätstaven. Om en roterande eller tvà vinkelräta gravitationssensorer används bestäms av pris och av làngtidsstabilitet hos offsetfelet 8.

För att erhålla en säker kontakt mellan mätstaven och kalibreringsverktyget kan kalibreringsverktyget förses med Figur 5e visar ett magneter, företrädesvis elektromagneter. kalibreringsverktyg 44 försett med två magneter 45a och 45b.

Figur 6a och 6b visar altenativa utföringsformer av organ för anslutning till referenspunkten (x0,y0,z0). Figur 6a visar ett anslutningsorgan i form av en sfär 50 vilken är nedsänkt i ett koniskt format precisionshàl 51 i verkstadsgolvet 14. En fördel med en sfär jämfört med en spets är att sfären ger mätanordningen ett större arbetsområde. Istället för en balansvikt och fjädrar är mätanordningen, som visas figur 6b, försedd med två stödben 52a, 52b för att balansera upp mätanordningen. Var och en av stödbenen avslutas med en sfärisk kropp som är nedsänkt i var sitt koniskt hål i golvet. 10 15 20 25 30 35 5Û8 176 12 Figur 7a visar en utföringsform av ett organ anordnat för att stå i kontakt med roboten under kalibreringsförfarandet där organet är utformat som en sfär 55, vilken i fortsättningen benämns en mätkula. Under kalibreringsförfarandet stàr mätkulan i kontakt med ett koniskt format hàl 56 i roboten eller ett kalibreringsverktyg 57. För avstàndsmätning i z-led är en positionssensor 58 anordnad under mätkulan. Figur 7b visar ett exempel pà ett kalibreringsverktyg 57 anordnat för att användas i kombination med mätkulan 55. Kalibreringsverktyget innefattar 56a, 56b, 56c 56d, anordnade med ett visst avstànd till varandra. en stav 58 med ett flertal koniska hál, För att minska antalet nödvändiga mätningar vid bestämningen av robotens kinematiska felparametrar kan kalibreringsverktyget förses med en gravitationsensor 59, varigenom bàde verktygets (TCP) arbetspunkt och lutning xz-planet kan uppmätas med hög noggrannhet.

Om mätanordningen innefattar mer än en mätkula med tillhörande positionssensor kan ett stort arbetsområde erhàllas för uppmätning av robotens felparametrar.

Genom att göra mätanordningen i teleskoputförande och mäta teleskopets ihoptryckning med t ex ett resolverarrangemang kan mätomrádet i z-led utökas kraftigt.

En ytterligare utökning av mätomrádet erhålles med en mät- anordning 77 innefattande ett optiskt mätsystem, varvid antingen mätanordningen är försedd med en ljuskälla och det robotburna verktyget är försett med ljusdetektorer eller vice versa. I ljuskälla 60, cylinderformad och ihàlig mätstav figur 8 visas fallet där en lämpligen en laserdiod, är monterad i en 61. Mätstaven 61 kan vridas runt av en motor 62, som är anordnad pà en av fjädrar balanserad plattform 63 med styrpinnar 64 och en precicionskula 65 i ett koniskt precisionshàl 66 i verkstadsgolvet. Pà mätstaven 61 är gravitationssensorn 67 monterad och då motorn 62 vrider runt mätstaven 61 mäter gravitationssensorn rotationsaxelns riktning 60a relativt gravitationsriktningen. Rotationsaxeln 60a är samtidigt den axel 10 15 20 25 30 35 13 508 176 kring vilken ljusknippet fràn laserdioden kommer att röra sig.

Om ljusknippet träffar en lateral fotodetektor, t ex lateral fotodiod eller fotodiodmatris, kommer den belysta fläcken pà detektorn att röra sig i en cirkelformad bana pà detektorns yta.

Centrum hos denna bana blir därvid rotationsaxelns skärningspunkt med detektorns yta.

I figur 8a och 8b visas hur det robotburna kalibreringsverktyget 68 har försetts med tvâ laterala fotodetektorer 69 och 70, vilka är moterade vinkelrätt relativt varandra för att fånga upp de båda ljusknippena 72 och 73 från en stràldelare 71. Dä kalibreringsverktyget är placerat rakt ovanför mätstaven 61, såsom visas i figur 8a, kommer detektorn 70 att avläsa verktygets position i x- och z-led medan detektorn 69 avläser verktygets orientering i xz-planet. Om en stràldelare 74 moteras vid mynningen av mätstaven 61 erhålles möjligheter att göra mätningar vinkelrätt mot mätstavens rotationsaxel. Således mäter enligt figur 8b de båda detektorerna 69 och 70 positionen i z- led, medan detektorn 70 även kan användas för att mäta verktygs- orienteringen i xz-planet.

Figur 8c visar hur en elektromagnetisk givare 75, kapacitiv (XII yr) relativt mätstavens 61 cylinderyta. Cylinderytan kan vid behov eller induktiv, mäter läget hos mätpunkt i xy-planet bestå av plana slipytor. Genom att placera kragar 76 på mätstaven kan givaren även mäta mätpunktens läge i z-led, dvs zr. Förutom elektromagnetiska givare kan mekaniska eller ultraljudsgivare användas.

Figur 9 visar hur mätanordningen och kalibreringsverktyget i figur 5a anordnas för mätning av synkroniseringsfelet A65 hos axel A5 samt attitydfel $6y5 och offsetfel O6y5 och 0625 hos axel A6 relativt axel A4. Robotens konfiguration väljes så att axel A4 och axel A6 är horisontella. Kalibreringsverktyget 41 monteras på robotens verktygsfäste 6a pà ett sådant sätt att kalibreringsverktyget 41 blir centrerat i axels A6 medel- rotationsriktning. Roboten körs så att kalibreringsverktyget 41 erhåller mekanisk kontakt med mätstaven 31. Mätningarna utföres med kalibreringsverktyget i två positioner, pos A och pos B. I 10 15 20 25 30 35 508 176 14 pos A erhálles kontakt mellan mätstaven och den del av kalibreringsverktyget som är närmast verktygsfästet, och i pos B erhålles kontakt mellan mätstaven och kalibreringsverktygets yttre del. Avståndet mellan mätstaven i position A och i position B är LAB_ Följande mätsekvens utföres: a) Med kalibreringsverktyget i position enligt pos A roteras axel A6 3/4 varv och gravitationssensorn avläses vid vinklarna 96 = O, n/2, n, 3n/2 för axel A6. Roboten intar således fyra skilda konfigurationer vid vilka gravitationssensorn avläses. b) Med kalibreringsverktyget i position enligt pos A roteras axel A4 minst 3/4 varv och gravitationssensorn avläses vidi vinklarna 94 = O, K/2, K, 3%/2 för axel A4.

Roboten intar således ytterligare fyra skilda konfigurationer vid vilka gravitationssensorn avläses. c) Upprepa punkt a ovan med kalibreringsverktyget i position enligt pos B. d) Upprepa punkt b ovan med kalibreringsverktyget i position enligt pos B.

Ur avläsningarna fràn punkt a och punkt c beräknas offsetfel, OTY, OTZ, och attitydfel, ATY, AT2, hos kalibreringsverktyget relativt axel A6, både i y- och z-led. Figur lOa visar hur kalibreringsverktygets attitydfel i y-led beräknas. Den genomsnitttliga förflyttningen i y-led i position A och B beräknas enligt: AymA AymB Ymß YmA ATY (ymA (YmB (e6=Û) - ymA(66=K)) / 2 (10) ' YmB(96=K)) / 2 (ll) Mätstavens läge i y-led vid mätning i pos B.

Mätstavens läge i y-led vid mätning i pos A, (AYmB ” AYmÅ) / LAB (12) 10 15 20 25 30 35 m 508 176 Ur avläsningarna fràn punkt b och punkt d beräknas offsetfelen för axel A6 relativt axel A4, samt attitydfelen för axel A6 relativt axel A4._Figur 10b visar hur attitydfelet $6y5 för axel A6 i y-led beräknas. Avståndet mellan verktygets centrumpunkt TCP (Tool Center Point) Mätstavens förflyttning i y-led vid mätning i position B, AymB, och position B betecknas LTCP. beräknas enligt följande: Aymß = > / 2 <13> Attitydfelet för axel 6 i y-led relativt axel A4, $6y5, bgräknas enligt följande ekvation: Figur l0c visar hur synkroniseringsfelet A95 för axel A5 kan beräknas. Synkroniseringsfelet A95 för axel A5 är identiskt med attitydfelet i z-led för axel A6, $6z5. ÅZmB = (zmB A65 = ÖÖZ5 = AZmB / LTCP (16) Figur l0d visar hur offsetfelet 0625 för axel A6 relativt axel A4 i z-led kan beräknas. Följande samband kan uppställas: 411625 = (AZmA - 0625) / (LTCP - LAB) = (AZmB - 0625) / LTcP (17) Ur denna ekvation kan offsetfelet 0625 lösas ut; 0625 = AzmA-LTCP / LAB - AzmB-(LTCP - LAB) / LAB (18) I ovanstående beräkningar har redan kompenserats för felen hos kalibreringsverktyget. Samma princip kan användas för att mäta upp offsetfelen mellan axel Al och axel A4.

Figur lla och llb visar hur attitydfelen olxl, olyl hos axel Al relativt gravitationsriktningen mätes upp. olxl = ax och olyl = uy, se figur 4a och 4b, och beräknas enligt ekvation 4 och 5. 10 15 20 25 30 35 508 176 I 16 Roboten häller i detta utföringsexempel mätstaven 31 genom att denna hakas pà kalibreringsverktyget 41 med hjälp av haken 47 som läggs över hàllaren 48 pà kalibreringsverktyget. Mät- anordningen, som är fixerad vid kalibreringsverktyget, hänger en bit ovanför verkstadsgolvet. Figur llb visar en förenklad skiss av figur lla sedd ovanifràn.

C, D) gravitationssensorn avläses.

Roboten körs sedan till fyra skilda konfigurationer (A, B, enligt fig llb vid vilka De fyra konfigurationerna skiljer sig át endast genom att vinkeln för axels Al är olika. De sà erhållna mätvärdena frán gravitationssensorn ger sedan attityfelen hos axel A1 relativt gravitationsriktningen.

Mätvärdena i position A och C ger Qlxl, och mätvärdena i position B och D ger $1y1. Samma princip kan användas för att bestämma synkfelet för axel A3 - A6.

I figur l2a har mätstaven 31 placerats i hálet 13 och ett hål 56 i kalibreringsverktyget har positionerats över mätkulan 55 som är monterad pà positionssensorn 33. För en given robotkon- dvs för givna vinklar pà vridningssaxlarna Al - A6, Yrf I x- och y-led beräknas figuration, bestämmes mätpunktens position (xr, zr). I z-led mätes positionen med positionssensorn 33. positionen med ekvation 4, 5, 6 och 7 med användning av fràn gravitationssensorn 34 avlästa utsignaler. Om attitydfelen och offsetfelen hos axel A1 relativt verktygsgolvet önskas kan tre precisionshàl 13, l3b och l3c med var sin referenspunkt (xOrY0rZ0)I figur 12b. Roboten sätter därvid ned mätstaven (x1,y1,z1) och (x2,y2,z2) anordnas i golvet enligt 31 i dessa precisionshàl och vid varje precisionshàl görs mätningar av mät- punktens position enligt ovan. Roboten ska vid mätningarna i hålen 13, d v s endast axel A1 har olika värden pà axelvinklarna. Ur l3b och l3c beräknas attitydfelen i x- och y-riktningarna för axel A1 l3b och l3c ha samma axelvinklar för axel A2 - A6, skillnaderna mellan mätvärdena i z-led för hälen 13, relativt verkstadsgolvet. Ur positionsmätningarna i x- och y-led för hälen 13, l3b och l3c beräknas offset i x-led (Olxl) och i y-led (OIY1) hos axel A1 relativt det nominella läget (P1) för axel A1. 10 15 20 25 30 35 17 508 176 Synkfelen hos axel Al, A2 och A3 uppmätes med samma uppställning som i figur l2a. Hålet 13 är inmätt så att det utgör nolläget för lägesgivarna hos axel Al och axel A2. Mätstavens längd Synkfelet hos För att direkt motsvarar nolläget för lägesgivaren hos axel A3. axel Al, A91, ges av mätstavens lutning i y-led. kunna separera synkfelen hos axel A2, A62, från synkfelet i axel A3, A63, bör axel A2 och A3 vara i synkläge vid mätningen (den andra armen 4 vertikal och den tredje armen 5 horisontell). Om sá är fallet kommer mätstavens lutning i x-led att ge synkfelet hos axel A2, medan det av sensorn 34 avlästa värdet i z-led ger synkfelet hos axel A3.

A91 = Aym / (LTCP + L3) (19) A63 = Azm / (LTCP + L3) (21) Dà riktningen för axel A1 är känd relativt gravitations- riktningen (figur ll) kan attitydfelen $2z1 och $3z2 hos axel A2 och A3 bestämmas som avvikelsen från 900 mellan axel A2 och axel Al respektive mellan axel A3 och axel Al.

I figur 13 mäts attitydfelet $3z2 hos axel A3 genom att mätstavens lutning i y-led registreras vid tvà olika robot konfigurationer, Kon A och Kon B, vilka har samma axelvinklar för axel Al, A2, A4 - A6, pà axelvinklarna. För att mäta attitydfelet i x-led, $3x2, d v s endast axel A3 har skilda värden vrides axel A2 så att även attitydfelet i x-led ger upphov till detekterbara lutningsskillnader hos mätstaven, se figur 14.

Attitydfelet $3X2 beräknas ur skillnaden i uppmätt attitydfel mellan mätningarna i figur 14 och figur 13. De uppmätta attitydfelen gäller relativt gravitationsriktningen och räknas därför om till att gälla relativt riktningen för axel Al med kännedom om riktningen hos axel Al relativt gkavitations- riktningen, vilken uppmättes enligt figur ll.

Attitydfelet för axel A2 i z-led, $2z1, uppmätes pà motsvarande sätt se figur 15. Mätningar utföres för tvà olika robot 10 15 20 25 30 35 508 176 18 konfigurationer, Kon E och Kon F, vilka har samma axelvinklar för axel Al, A3 - A6, d v s endast axel A2 har skilda värden pà axelvinklarna. Attitydfelen för axel A2 i x-led kompenseras normalt bort vid synkroniseringen av axel Al, om inte roboten har en konstruktion med stor offset mellan axel Al och axel A2.

Transmissionsfel förorsakade av fel i parallellogramöverföringen mellan motorn för axel A3 och den andra robotarmen 4 mätes enklast då mätstaven 31 är fasthäktad pà kalibreringsverktyget enligt figur lla. Med sensorn 34 mätes därvid mätstavens lutning i x-led för olika vinklar hos axel A2 och axel A3. Fràn dessa mätningar beräknas sedan en tabell som anger transmissionsfelet för olika vinkelvärden pá axel A2 och axel A3.

I figur 16 visas ett sätt att mäta och identifiera den andra robotarmens 4 armlängdsfel. Mätningarna utföres i tvà skilda robotkonfigurationer Kon G och Kon H. Konfigurationerna väljes så att axel A4 och axel A6 är horisontella. Axel A2 körs sedan till tvà lägen i vilka kalibreringsverktyget och mätstaven står i kontakt med varandra. I Kon G är axel A2 i nolläge, vilket I Kon H har axel I båda konfigurationerna roteras innebär att den andra robotarmen är vertikal.

A2 en vinkel Q2 som är känd. mätstaven 3l och med ekvation 4 och 6 beräknas xmG och xmH. Ur figur 16 kan följande samband sättas upp: XmG = (La + L54 + Lc + Lea) (22) xmn = (L2-sinog + L3 + L4 + LC) (23) xmH - xmG = L2-sinwg - LGH (24) Lz = (xmfl - xmG + Lem / Sinwz (25) AL2 = Lzmm - Lz <26> Pá samma sätt kan övriga armlängdsfel uppmätas.

Claims (13)

508 176 (CJ PATENTKRAV

1. Utrustning för kalibrering av en industrirobot vilken har ett flertal vridningsaxlar (A1-A6), varvid utrustningen innefattar en mätanordning (10, 30, 77) vilken - är anordnad för vridbar anslutning (12, 50) till en referenspunkt (x0,y0,z0) vars läge är känt, - är anordnad för att under kalibreringsforfarandet stà i kontakt med roboten, eller ett av roboten uppburet verktyg samt, - har en rotationsaxel (21, lla, 36, 60a) som skär genom referenspunkten när mätanordningen är ansluten till referenspunkten, k ä n n e t e c k n a d a v att mätanordningen innefattar en gravitationssensor (18, 34) anordnad sà att dess mätríktning (25) är i huvudsak parallell med mätanordningens rotationsaxel varvid gravitationssensorn mäter vinkeln mellan gravitationsvektorn och rotationsaxeln.

2. Utrustning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett kalibreringsverktyg (41, 44, 57) anordnat att uppbäras av roboten.

3. Utrustning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d a v att kalibreringsverktyget (41, 44) innefattar två mot varandra vinklade stavar.

4. Utrustning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att mätanordningen innefattar en ljuskälla/fotodetektor (60) anordnad att stà i optisk kontakt med minst en fotodetektor/ljuskälla (69, 70) pà roboten eller ett av roboten uppburet verktyg. sos 176 1G

5. Utrustning enligt av de föregående patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att mätanordningen innefattar en fastsättningsanordning (84) för fastsättning och fixering av mätanordningen pà kalibreringsverktyget.

6. Utrustning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d a v att kalibreringsverktyget (57) innefattar en gravitationssensor (59).

7. Förfarande för kalibrering av en industrirobot, vilken har ett flertal vridningsaxlar (Al-A6), k ä n n e t e c k n a d a v att ett antal felparametrar hos roboten bestämmes genom att - roboten körs till minst två skilda konfigurationer i vilka à ena sidan roboten, eller ett av roboten uppburet kalibreringsverktyg, och à andra sidan en mätanordning, innefattande en gravitationssensor anordnad att mäta vinkeln mellan gravitationsvektorn och en rotationsaxel hos mätanordningen, står i kontakt med varandra, - gravitationssensorns utsignal avläses i de skilda kon- figurationerna, - felparametrarna beräknas utgående från de avlästa utsignalerna, - för att kompensera för monteringsfel och offsetfel hos gravitationssensorn vrides i àtminstone någon robot- konfiguration gravitationssensorn runt rotationsaxeln, - gravitationssensorns utsignal avläses vid minst tvà olika vridningsvinklar hos rotationsaxeln, och - rotationsaxelns riktning (a)relativt gravitationsvektorn beräknas utgående fràn de avlästa utsignalerna.

8. Förfarande enligt patentkrav 7 k ä n n e t e c k n a d a v att - innan roboten intar de skilda konfigurationerna fixeras mät- anordningen och ett av roboten uppburet'kalibreringsverktyg vid varandra, 21 508 176 - de skilda konfigurationerna intas genom att en av vridnings- axlarna roteras varvid mätanordningen följer med i rotationen, och - den roterade vridningsaxelns riktning relativt gravitations- vektorn beräknas utgående från de avlästa utsignalerna.

9. Förfarande enligt patentkrav 7 k ä n n e t e c k n a d a v att innan roboten intar de skilda konfigurationerna ansluts mätanordningen till en referenspunkt (x0,y0,z0).

10. Förfarande enligt patentkrav 9 k ä n n e t e c k n a d a V att med kännedom om avståndet (Ls) mellan referenspunkten och en förutbestämd mätpunkt (xr,yr,yr) och referenspunktens läge bestämmes mätpunktens läge relativt referenspunkten utgående från de avlästa utsignalerna.

11. ll. Förfarande enligt patentkrav 9 k ä n n e t e c k n a d a v att innan roboten intar nästa konfiguration förflyttas mätanordningen och ansluts till en andra referenspunkt (X1,y1,21>-

12. Förfarande enligt patentkrav 9 k ä n n e t e c k n a d a v att roboten körs till de skilda konfigurationerna pà sá sätt att det av roboten uppburna kalibreringsverktyget bringas i kontakt med mätanordningen pà olika ställen utmed kalibreringsverktyget.

13. Förfarande enligt patentkrav 9 eller 12 k ä n n e t e c k n a d a v att roboten körs till de skilda konfigurationerna pà så sätt att det av roboten uppburna kalibreringsverktyget bringas i kontakt med mätanordningen pà olika ställen utmed mätanordningen.