DE3144843A1

DE3144843A1 - Verfahren zum betreiben eines als schweissroboter arbeitenden manipulators und dementsprechende steuerung

Info

Publication number: DE3144843A1
Application number: DE19813144843
Authority: DE
Inventors: Ichiro 06804 Brookfield Conn. Masaki
Original assignee: Unimation Inc
Current assignee: Unimation Inc
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1981-11-11
Publication date: 1982-06-16
Also published as: FR2493744A1; IT1208429B; GB2087107B; US4380696A; SE8106670L; IT8149700A0; GB2087107A; CA1168314A; FR2493744B1; JPS57109576A; SE449313B

Description

P 31 44 843.7 · ³ * 15. Dezember 1981

ünimation, Inc., Shelter Rock Lane, Danbury, Connecticut (V.St.A.)

Verfahren zum Betreiben eines als Schweißroboter arbeitenden Manipulators und dementsprechende Steuerung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines als Schweißroboter arbeitenden Manipulators gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine dementsprechende Steuerung.

Es sind bereits verschiedenartige solche Manipulatoren bekannt, die ein Abbildungssystem zur Erkennung einer Abweichung zwischen der eingegebenen und der für die Herstellung der gewünschten Schweißnaht tatsächlich erforderlichen Schweißbahn enthalten. Beispielsweise beschreibt die DE-OS 29 52 443 ein Verfahren und eine Anordnung zum Erkennen einer Positionsabweichung eines Werkstücks von einer Besugsposition mit Hilfe eines Abbildungssystems und einer Abbildungsverarbeitungseinrichtung. Des weiteren beschreiben die DE-OSen 29 33 216 und 29 38 236 Anordnungen zum Unterbrechen des Schweißvorgangs und zur Aufnahme von Abbildungen des Werkstücks während dieser Unterbrechung oder einer zwischenzeitlichen Verminderung des Schweißstroms. Sodann sind Schweißapparate mit Steuerungen in den US-PSen 4 115 684, 4 086 522, 4 030 617 und 4 105 937 sowie der US-Patentanmeldung Kr. 154 439, eingereicht am 29. Mai 19ΰΟ von W. Perzley, beschrieben.

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Obgleich die vorerwähnten Anordnungen im allgemeinen ihren Zweck erfüllen, ist es doch schwierig, Abbildungsdaten von dem jeweiligen Werkstück während des Schweißvorganges zu erhalten .Selbst dort, wo zum Erhalten einer Abbildung des Werkstücks der Schweiß-Strom verringert oder unterbrochen wird, bereitet das Auftreten von optischen Störungen in dem Abbildungssystem Probleme. Des weiteren ist das Abbildungssystem dafür schädlichen Umgebungseinflüssen an der Schweißstelle ausgesetzt. Sodann muß sich, wenn die Abtastung der Schweißnaht auf dem Werkstück während des tatsächlichen Schweißvorganges erfolgen soll, das Abbildungssystem auf dem Manipulatorarm in der Nähe des Schweißpunktes befinden, zusätzlich zu den Umgebungseinflüssen an der Schweißstelle und den davon herrührenden optischen Störungen kann die Anordnung aus Schweißpistole und Abbildungssystem Probleme des lichten Raumes an dem oder um das Werkstück verursachen, die die freie Beweglichkeit des Manipulatorarmes entlang der. Schweißbahn behindern. Schließlich müssen, wenn Abbildungsdaten des Werkstücks zum Erhalt von Bahnkorrekturdaten während des Schweißvorganges gewonnen werden,- diese Bahnkorrektur daten auch während des Schweißvorganges, bei dem sich der Manipulatorarm entlang der Schweißbahn bewegt, berechnet werden. Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Mangel der vorausgehend beschriebenen Schweißrobotersteuerungen mit einem optischen Abbildungssystem zu umgehen.

Diese Aufgabe ist auf die in den Ansprüchen 1, 3 und 28 angegebene V/eise gelöst. Die übrigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung oder von Teilen derselben.

Kurz gesagt wird mit der Erfindung eine Steuerung für einen als Schweißroboter arbeitenden Manipulator geschaffen, mit der eine durch Instruktion eingegebene Schweißbahn an nachfolgenden Werkstücken unter Berücksichtigung von Abweichungen der Werkstückposition und Form genau nachvollzogen werden kann. Die betreffende

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Steuerung verwendet ein das jeweilige Werkstück abtastendes Abbildungssystem. Während der Instruktionsphase wird eine gewünschte Schweißbahn in Verbindung mit einem Bezugswerkstück in den Manipulator eingegeben unter Aufzeichnen geeigneter Schweißbahndaten, während eine Bedienungsperson den Manipulator ihrerseits steuert. Zusätzlich zu den für die eingegebene Schweißbahn maßgeblichen Daten werden in der Instruktionsphase für eine schablonenartig verwendete Bezugsabbildung bezeichnende Daten aufgezeichnet. Diese Bezugsabbildungsdaten entstammen einem Abbildungssystem unter Verwendung einer von dem Manipulatorarm getragenenen Kamera, wie z.B. einer Solid-State-Fernsehkamera. Wenn sich im nachfolgenden Arbeitsbetrieb dem Manipulator aufeinanderfolgende weitere Werkstücke präsentieren, an denen eine entsprechende Sehweißnaht hergestellt werden soll, so wird der Manipulatorarm in einem ersten Wiederholungszyklus aufgrund der aufgezeichneten Daten so gesteuert, daß er der eingegebenen Schweißbahn folgt, während Abbildungen des betreffenden Werkstückbereiches an aufeinanderfolgenden Punkten dieser Schweißbahn aufgenommen werden. Das Abbildungssystem, welches Abbildungsverarbeitungsmittel enthält, erkennt auf optischem Wege die Abweichung zwischen der eingegebenen und der gegenüber dem gegenwärtigen Werkstück tatsächlich zurückzulegenden Schweißbahn. Die Abbildungsverarbeitungsmittel liefern aufgrund der in dem ersten Wiederholungszyklus aufgenommenen Abbildung für die Abweichung bezeichnende Abweichungsdaten. Aufgrund dieser Abweichungsdaten korrigiert die Manipulatorsteuerung die im Instruktionsbetrieb eingegebenen Daten zum Erhalt sogenannter korrigierter Schweißbahndaten (für eine korrigierte Schweißbahn bezeichnender Daten für das gegenwärtige Werkstück). Während eines zweiten Wiederholungszyklusses innerhalb des Arbeitsbetriebs erfolgt der Schweißvorgang entlang der korrigierten Schweißbahn aufgrund der korrigierten Schweißbahndaten. Diese Vorgänge wiederholen sich für jedes weitere Werkstück.

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i>ie Instruktion des Manipulators in der Instruktionsphase erfolgt unter Verwendung der Schweißpistole in der vorgesehenen Position am Manipulatorarm. Ebenso befindet sich in der Instruktionsphase die Kamera des Abbildungssystems auf.dem Manipulatorarm in geeigneter Position, um die erwähnte Bezugsabbildung aufzunehmen. Während des ersten Wiederholungszyklusses im Arbeitsbetrieb ist die Kamera entsprechend angeordnet, um der eingegebenen Schweißbahn zu folgen. Im zweiten Wiederholungszyklus befindet sich die Schweißpistole in der Schweißposition. Einer etwaigen Versetzung zwischen dem optischen Zentrum des Abbildungssystems und dem Schweißpunkt an der Schweißpistole wird von der Steuerung durch geeignete Daten Rechnung getragen. Bei einer Ausführungsform sind die Kamera und die Schweißpistole nebeneinander auf dem Manipulatorarm angeordnet. Dabei können die Kamera und die Schweißnistole gegeneinander ausgerichtet sein oder aber auch nacheinander, durch eine Schwenkbewegung, in entsprechende Positionen zu bringen sein. Bei einer weiteren Ausführungsform finden zwei getrennte Manipulator-"Hände¹¹ Verwendung, deren eine die Kamera zur Aufnahme der jeweiligen Abbildung und deren andere die Schweißpistole zur Eingabe der Schweißbahn und zur Herstellung der Schweißnaht trägt. In Verbindung mit der Kamera kann sich auch die betreffende Muster-Projektionseinrichtung auf dem Arm bzw. der Hand befinden. Andererseits kann diese fest angeordnet sein.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren im einzelnen beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein perspektivisches Schema eines programmsteuerbaren Manipulators nach der Erfindung in Verbindung mit einem zu schweißenden Werkstück und den erfindungsgemäßen Steuermitteln,

Fig. 2 ein perspektivisches Schema einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäß gesteuerten und ausgerüsteten Manipulators in Verbindung mit einem zu schweißenden Werkstück und den.betreffenden Steuermitteln,

Fig. 3 und 4 jeweils ein perspektivisches Schema eines 7,u schweißenden Werkstücks mit dem darauf projezierten \ und von dem Abbildungssystem aufzunehmenden Lichtmuster,

Fig. 5A und Fig. 5B einen Grundriß bzw. einen Aufriß einer eingegebenen und einer erfindungsgemäß korrigierten Schweißbahn auf einem Werkstück,

Fig. 6 ein Flußdiagramm, welches die Aufeinanderfolge der maßgeblichen Schritte des erfindungsgemäßen Programmsteuerungsverfahrens zeigt,

Fig. 7 eine am Ende des Manipulatorarmes beispielsweise aus Fig. 1 oder 2 befindliche "Hand", die, mit/einander austauschbar, eine Kamera in Verbindung mit einer Muster-Projektionseinrichtung bzw. die Schweißpistole trägt,

Fig. 8 eine andere, lediglich eine Schweißpistole tragende Hand,

Fig. 9 eine dagegen austauschbare, lediglich die Kamera und die Projektionseinrichtung tragende Hand und

Fig.10 eine andere Ausführungsform einer solchen die Kamera und die Projektionseinrichtung tragenden Hand.

Der in Fig. 1 dargestellte Manipulator 10 steht neben einer Arbeitsstation 12, in welcher ein Schweißvorgang nach der Erfindung an einem Werkstück 14 erfolgt. Das Werkstück 14 enthält in diesem Beispiel zwei Metallplatten 16 und 18, die entlang ihren Stoßkanten zusammengeschweißt werden sollen. Der Manipulator 10 weist einen Manipulatorarm 20 mit einer "Hand" oder Werkzeugaufnahme 22 auf. Diese Hand trägt eine Tragvorrichtung 24, die im gezeigten Beispiel ihrerseits eine Schweißpistole 26 neben einer Kamera oder sonstigen geeigneten Abbildungsvorrichtung 23 sowie des weiteren einer optischen

,'■iunhor-Pro joktionRoinrj tihtung 30 tract. Dioso Hustor-Projeklionseini'ichtung kann sicli allerdings-auch in einer von der Hand 22 unabhängigen festen geeigneten Bezugsposition befinden. Die Schweißpistole 26 ist mit einer Schweißanlage 32 verbunden, aus der sie in üblicher Weise neben dem erforderlichen Schweißstrom und einem Schutzgas einen Schweißdraht 34 zugeführt erhält.

Die Kamera 28 steht mit einer Kamera-Steuereinrichtung 36 über Signal- und Steuerleitungen 38 in Verbindung, durch die sie von der Steuereinrichtung 36 gesteuert wird und andererseits Abbildungssignale an diese liefert. Die Steuereinrichtung 36 wiederum liefert Signale an eine Abbildungsverarbeitungseinheit 40. Die Kamera 28, die Muster-Projektionseinrichtung 30, die Kamera-Steuereinrichtung 36 und die Abbildungsverarbeitungseinheit 40 bilden zusammen ein Abbildungssystem, wie es in den vorgenannten DE-OSen 29 38 236, 29 33 216 und 29 52 beschrieben ist.

Die Abbildungsverarbeitungseinheit 40 steht über Datenleitungen 42 mit einer Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 gemäß vorliegender Erfindung in Verbindung. Die Einheit 44 steuert die Arbeitsweise des Schweißsystems des Manipulators wie auch diejenige des Manipulators 10 selbst mit Hilfe eines Servosteuerungssysterns 46. Die Einheit 44 liefert die passenden Steuerungssignale an das Servosteuerungssystem 46 als Befehlssignale, mit denen der Manipulatorarm 20 in einer .oder mehreren steuerbaren Bewegungskoordinaten positioniert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steuert eine Bedienungsperson den Manipulatorarm 20 in einer Instruktionsphase entlang den steuerbaren Koordinaten, um damit die Spitze der Schweißpistole 26 in bezug auf das Werkstück 14 entlang einer gewünschten Schweißbahn zu führen. Während dieser Instruktionsphase werden geeignete Schweißbahndaten entsprechend eingegebenen Punkten der Schweißbahn in der Einheit 44 auf gezeichnet.Weiterhin \\rird während eines bestimmten Abschnitts

der Instruktionsphase die Muster-ProjektionseinrLchtuns Γ'.Ο so eingerichtet, daß sie ein Lichtmuster auf das Werkstück 14 projiziert. Aufgrund dieses projizierten Lichtmusters liefert die Kamera 28 zusammen mit der Kamera-Steuereinrichtung 36 und der Abbildungsverarbeitungseinheit 40 eine schablonenartige Bezugsabbildung, die zusammen mit den eingegebenen Bahndaten gespeichert wird. Genauer gesagt projiziert die Muster-Projektionseinrichtung 30 auf das Werkstück 14 ein optisches Schlitzmuster, während das Abbildungssystem mit der Kamera 28, der Kamera-Steuereinrichtung 36 und der Abbildungsverarbeitungseinheit 40 das von der Oberflächenform des Werkstücks 14 veränderte Muster abtastet. Die Bezugsabbildung wird von einer oder mehreren Stellen entlang der eingegebenen Schweißbahn aus aufgenommen, je nach der Geometrie der Schweißbahn.

Während der Instruktionsphase werden weiterhin Schweißdaten unter Einschluß von solchen für die gewünschte Schweißgeschwindigkeit und anderen geeigneten Parametern des Schweißvorganges aufgezeichnet. Bei einer anderen Ausführungsform wird nur die Bezugsabbildung an einem Bezugswerkstück aufgenommen, während die eingegebenen Schweißbahndaten während eines ersten Wiederholungszyklusses in Verbindung miteinem ersten echten Werkstück (repeat workpiece) aufgezeichnet werden, wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Die eingegebenen Bahndaten für dieses erste echte Werkstück finden dann für weitere Werkstücke Verwendung.

Während sich in dem sogenannten Arbeitsbetrieb (repeat mode) dem Manipulator 10 weitere Werkstücke zum Schweißen anbieten, wird der Manipulator automatisch gesteuert. Der Arbeitsbetrieb schließt den erwähnten ersten Wiederholungszyklus ein, während dessen der Manipulatorarm 20 der eingegebenen Schweißbahn nach Maßgabe der gespeicherten zuvor eingegebenen Daten mit wesentlich größerer Geschwindigkeit als der Schweißgeschwindigkeit folgt. Dabei befindet sich die Kamera 28 im Einsatz über der

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so absolvierten Schweißbahn.

Während der Bewegung des Manipulatorarmes 20 in dem ersten Wiederholungszyklus entlang der eingegebenen Schweißbahn liefert die Abbildungsverarbeitungseinheit 40 über die Datenleitungen 42 Abweichungsdaten entsprechend den vom Werkstück abgetasteten Abbildungen an geeigneten Punkten entlang der Schweißbahn. Diese Abweichungsdaten sind bezeichnend für die Abweichung der tatsächlichen Schweißnaht an dem Werkstück 14 von der zuvor eingegebenen Schweißbahn-Bezugsabbildung. Bei einer bestimmten Ausführungsform berechnet und speichert die Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 in Abhängigkeit von den gespeicherten eingegebenen Daten und den Abweichungsdaten aus der Abbildungsverarbeitungseinheit 40 korrigierte Schweißbahndaten für das gegenwärtige Werkstück 14, die einer abweichenden Position des Werkstücks gegenüber derjenigen des bei der Instruktion benutzten Bezugswerkstücks Rechnung . tragen.

Bei einem zweiten Wiederholungszyklus im Arbeitsbetrieb befindet sich die Schweißpistole 26 in Arbeitsstellung über dem Werkstück 14, und die während des ersten Wiederholungszyklusses berechneten und gespeicherten korrigierten Bahndaten finden dazu Verwendung, den Manipulatorarm 20 zusteurn, so daß er in Verbindung mit der Schweißanlage 32 auf dem Werkstück die ge-Wünschte Schweißnaht herstellt.

So wird also die gewünschte Schweißbahn in einer einzigen Instruktionsphase mit Hilfe eines Bezugswerkstücks eingegeben und aufgezeichnet, während im nachfolgenden Arbeitsbetrieb in Verbindung mit jedem Werkstück 14 hintereinander zwei Wiederholungszyklusse ablaufen.

Anhand der Fig. 2 wird nun eine andere Ausführungsform eines Manipulators 10 in Verbindung mit einem Werkstück 14 beschrieben,

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Die Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 weist in diesem Beispiel geeignete Daten- und Steuerverbindungen mit dem Servosteuerungssystem 46 der Manipulatorsteuerung, der Abbildungsverarbeitungseinheit 40, der Kamera-Steuereinrichtung 36, der Schweißanlage 32 einschließlich einer Schweißsteuerung 50 und einer Schweißstromversorgung 52 sowie mit einer Laser-Treiberstufe 54 für den Betrieb der Muster-Projektionseinrichtung 30 in Form eines Laser-Kopfes auf.

In der Praxis kann der programmgesteuerte Manipulator 10 für die Anwendung der Erfindung verschiedenartig ausgeführt sein. Während in Fig. 1 ein von der Anmelderin unter der Bezeichnung UNIMATE ^ Typ 2000 auf den Markt gebrachter Manipulator gezeigt ist, stellt Fig. 2 einen solchen dar, wie er von der Anmelderin unter der Bezeichnung PUMA ^ Typ 500 angeboten Avird. Dieser letztere enthält ein Steuerungssystem auf Mikroprozessor-Basis, welches nach dem Manipulatorprogrammier- und Steuerungssystem VAL ^ der Anmelderin arbeitet. In dieser Hinsicht wird Bezug genommen auf die Veröffentlichung "Users's Guide To VAL, A Robot Programming And Control System" version 11, February, 1979, 2nd Edition.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 nach den Figuren 1 und 2 als VAL-Manipulatorprogrammier- und Steuersystem, welches durch das Datentransformationssystem der Einheit 44 erweitert ist, wie nachfolgend noch genauer beschrieben.

Bei anderen Ausführungsformen verwendet die Einheit 44 des Manipulators 10 aus Fig. 1 das betreffende Steuerungssystem, wie genauer in den US-PSen 3 661 051, 4 086 522 und 4 163 1B3 sowie der erwähnten US-Patentanmeldung 154 439 von W. Perzley et al genauer beschrieben. Damit sind nur Beispiele geeigneter Steuerungssysteme zur Anwendung der Erfindung genannt.

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Das Abbildungssystem der Figuren 1 und 2 mit der Kamera 28, der Muster-Projektionseinrichtung 30, der Kam era-Steuereinrichtung 38 und der Abbildungsverarbeitungsexnheit 40 für den Erhalt eines Abweichungssignals aufgrund eines Vergleiches einer Bezugsabbildung und eines tatsächlichen Musters ist genauer in den erwähnten DE-OSen 29 38 236, 29 33 216 und 29 52 443 beschrieben.

Es folgt nun eine kurze Beschreibung eines typischen Werkstücks 14 zur Illustration der Arbeitsweise der Erfindungunter Bezugnahme auf Fig. 3. In diesem Beispiel projiziert die Einrichtung 30 ein optisches Schlitzmuster auf die im wesentlichen senkrecht aufeinander stehenden Werkstückteile 60 und 62. Die Werkstückteile 60 und 62 verwandeln das von der Einheit 30 projizierte optische Muster entsprechend ihrer Oberflächengestalt und Position, wie beispielsweise mit den Linienabschnitten 64 und 66 auf den Teilen 62 und 60 zum Ausdruck kommt. Diese Art optischer Musterabbildung ist brauchbar für Bahnkorrektur-Systeme zum Lichtbogenschweißen, Verschließen, Hartlöten und dergl.

Dabei nimmt die Kamera 2S die transformierte Musterabbildung auf mit den Linienabschnitten 64 und 66, wobei der Schnitt dieser Linienabschnitte für verschiedene Positionen der Kamera 2S und der Projektionseinrichtung 30 die Punkte entlang der Nahtlinie 68 zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Werkstückteilen 60 und 62 angibt.

So nimmt die Kamera 28 sowohl bei dem Bezugswerkstück.in der Instruktionsphase als auch bei den während des nachfolgenden Arbeitsbetriebes nacheinander auftretenden Werkstücken die Linienabschnitte 64 und 66 in Abhängigkeit von der tatsächlichen Lage der Nahtlinie 68 in Abhängigkeit von der Position der Werkstückteile 60 und 62 auf.

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Fig. 4 zeigt ein zweites Beispiel einer Anwendung für einen SchweißVorgang, bei dem nun aber eine Überlappungsnaht zwischen zwei im wesentlichen ebenen, einander überlappenden Werkstückteilen 70 und 72 hergestellt werden soll. Das von der Projektionseinrichtung 30 projizierte Schlitzmuster führt zu einer durch die Form der Werkstückteile 70 und 72 transformierten Abbildung mit einem ersten Linienabschnitt 74 auf dem Teil 70 und einem zweiten Linienabschnitt 76 auf dem Teil 72.

Die Musterabbildungen nach den Figuren 3 und 4 sind typisch für die in der Instruktionsphase von der Abbildungsverarbeitungseinheit 40 für ein Bezugswerkstück aufzuzeichnende Bezugsabbildung und ebenso für die im Arbeitsbetrieb während eines jeden ersten Wiederholungszyklusses von den aufeinanderfolgenden Werkstücken erhaltenen Abbildungen.

Betrachtet sei nun anhand der Fig. 5 die in der Instruktionsphase eingegebene Schweißbahn und die in dem ersten Wiederholungszyklus erhaltene korrigierte Schweißbahn: Die beispielhaft dargestellte eingegebene Schweißbahn 68 enthält beispielsweise die eingegebenen Bahnpunkte A, B, C und D, die in diesem Falle eine geradlinige Schweißnaht an den Werkstückteilen 60 und 62 nach Fig. 3 bezeichnen. So werden während der Instruktionsphase Daten entsprechend diesen Punkten Λ, 1-, C und D eingegeben und in der Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 gespeichert entsprechend der Bewegung der Schweißpistole 26 entlang der eingegebenen Bahn 68. Zusätzlich wird in der Abbildungsverarbeitungseinheit 40 eine von der Kamera 28 erhaltene Bezugsabbildung aus den Linienabschnitten 64 und 66 gespeichert.

Bei einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung wird die Bezugsabbildung aus den Linienabschnitten 64 und 66 nur für einen Punkt auf der Schweißbahn 68 aufgezeichnet, da die

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Geometrie dieser Schweißbahn zu beständig gleichen Abbildungen für die einzelnen Punkte der Schweißbahn führt.

Beim ersten Wiederholungszyklus im Arbeitsbetrieb, wobei dem Manipulator 10 ein Werkstück 14 dargeboten wird und die Kamera 2Λ sich in ihrer Arbeitsposition befindet, wird der Manipulator entsprechend gesteuert, um sich nach den eingegebenen Bahndaten mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit zu bewegen, und die Kamera 28 nimmt dabei bei einer bestimmten Anordnung die aus dem von der Projektionseinrichtung 30 projezierten Muster erhaltenen Schlitzmusterabbildungen an den aufeinanderfolgend eingegebenen Punkten A, B, C und D auf. Für diese Punkte berechnet die AbbiIdungsyerarbeitungseinheit 40 die betreffenden Abweichungsdaten D , D, , D und D, für eine zweidimensional^ Abweichung in einer X-Z-Bezugsebene, welche die Komponenten &X und ΔΖ enthalten. In einem bestimmten Beispiel berechnet die Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 während des ersten Wiederholungszyklusses aufgrund der Abweichungsdaten D D,. D und D, sowie der für die Bahnpunkte A, B, C und D eingegebenen Daten eine korrigierte Schweißbahn, die von den korrigierten Bahnpunkten A^f, B', C und D¹ bestimmt wird und den Verlauf der an dem gegenwärtigen Werkstück tatsächlich auszuführenden Schweißnaht angibt unter Berücksichtigung dessen, daß dieses Werkstück gegenüber dem für die Dateneingabe verwendeten Bezugswerkstück Positionsabweichungen in der X- und der Z-Koordinate aufweisen wird. In einem anderen Beispiel verwendet die Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 von Digitalcodierern des Manipulators 10 erhaltene Ist-Positionsdaten sowie die Abweichungsdaten D , D, , D und D, zur

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Errechnung der korrigierten Bahnpunkte A', B¹, C und D'.

Im einzelnen zeigt Fig. 5A eine Draufsicht auf die eingegebene Nahtlinie bzw. Bahn 68 aus Fig. 3 sowie der entsprechenden korrigierten Bahn 80. Darüber hinaus sind die Z\X-Komponenten der Abweichung D dargestellt. In Fig. 5B sind die ZiY-Komponenten der Abweichungen in der Y-Z-Bezugsebene dargestellt, wie sie von der Abbildungsverarbeitungseinheit 40 ermittelt werden. Die /kZ-Komponenten werden von der Einheit 40 nach der Gleichung ΔΖ = ΔΎ tan 0 errechnet, worin O der in Fig. 5E abgebildete Winkel zwischen der X-Y-Bezugsebene und der Muster-Projektionseinrichtung 30 ist.

Bei der bestimmten Ausführungsform, wo die gegenwärtige Position des Manipulatorarmes in Verbindung mit den Abweichungsdaten an dem betreffenden Punkt dazu Verwendung findet, die korrigierten Bahndaten zu gewinnen, können Ungenauigkeiten aufgrund der Positionierung durch die Servosteuerung in Abhängigkeit von den eingegebenen Daten die korrigierten Bahndaten für die tatsächliche Schweißnaht nicht beeinträchtigen. Zudem ist eine solche Anordnung dort geeignet, wo es im ersten Wiederholungszyklus aus verschiedenen Gründen erwünscht ist, die Abbildungen an anderen Punkten als den eingegebenen Punkten zu gewinnen. So findet die gegenwärtige Position des Manipulatorarmes dazu Verwendung, in Abhängigkeit von den Abweichungsdaten für die betreffenden gegenwärtigen Positionen korrigierte Schweißbahndaten zu erhalten.

Anhand des Flußdiagrammes der Fig. 6 sei nun die grundlegende Arbeitsweise der Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 und im besonderen des Datentransformationsteils derselben betrachtet. Fig. 6 zeigt die Arbeitsweise nach der Erfindung unter Einschluß der von der Einheit 44 zusätzlich zu denjenigen der vorhandenen Manipulatorsteuerung wie z.B. vom Typ PUMA 500 unter Verwendung der oben erwähnten VAL-Programmierung durchgeführten Funktionen. Der Beginn des Flußprogramms der Einheit 44 passiert die Instruktionsphase 84, in welcher der Funktionsblock 86 die Eingabe der Bezugsabbildunp: in Abhängigkeit von

den Daten eines Abbildungssystems zeigt, bei dem sich die Kamera 28 in Arbeitsstellung befindet und die Projektionseinrichtung 30 das Schlitzmuster mit den Abschnitten 64 und 63 nach Fig. 3 auf das für die Instruktion verwendete Bezugswerkzeug projiziert.

Nach Eingabe der Bezugsabbildung schreitet der Programmablauf fort zu einem Funktionsblock 88, der die Eingabe der gewünschten Schweißbahn auf dem Bezugswerkstück beispielsweise durch Bewegen des Manipulatorarmes entlang der Nahtlinie 68 von Fig. 3 und Speichern von Daten für die eingegebenen Punkte A, B, C und D von Fig. 5 darstellt. Weiter schreitet der Programmablauf fort zu einem Funktionsblock 90, nach welchem weitere bei der Instruktion eingegebene geeignete Informationen aufgezeichnet verden, wie z.B. die gewünschte Schweißgeschwindigkeit und nndere Parameter des Schweißvorganges. Dazu gehören auch geeignete Daten für die Schweißpistolen- und Kamerapositionierung, vie sie durch die Versetzung der Schweißpistolenspitze (Schweißpunkt) und des optischen Zentrums der Tragvorrichtung 24 gegenüber einem Bezugspunkt erforderlich sein können. Nach der VAL-Programmierung schließt der Programmierschritt des Blockes 90 die Eingabe von Daten ein, die entweder für die Versetzung zwischen der Kamera- und der Schweißpistolenposition auf der Tragvorrichtung 24 oder, in einem anderen Ausführungsbeispiel, auf zwei getrennt angebrachten Tragvorrichtungen, nämlich einer solchen für die Kamera und ggf. der Projektionseinrichtung einerseits sowie einer solchen für die Schweißpistole andererseits, bezeichnen.

Danach schreitet der Programmablauf seitens der Einheit 44 fort zum Arbeitsbetrieb 91 und speziell am Flußpunkt 92 zum ersten Wiederholungszyklus 94. Bei diesem ersten Wiederholungszyklus 94 stellt der Funktionsblock 96 die Arbeit des Servosteuerungssystem 46 dar, wenn dieses den Manipulatorarm mit hoher Geschwindigkeit zum ersten eingegebenen Punkt führt. Nachdem der Manipulatorarm diesen ersten eingegebenen Punkt erreicht hat,

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wird gemäß Block 98 von dem Abbildungssystem mit der Kamera 23 in Arbeitsstellung über dem Werkstück 14 eine Abbildung der tatsächlichen Lage des Punktes A aufgenommen. Danach schreitet das Programm zu einem Block 100 fort, wonach die Abbildungsverarbeitungseinheit 40 die Abweichungsdaten D berechnet und der Datentransformations- tmd Systemsteuereinheit 44 mitteilt.

Nachdem die Abbildungsverarbeitungseinheit die Abweichungsdaten D entsprechend der Abweichung zwischen dem eingegebenen Punkt A und dem entsprechenden Punkt der an dem betreffenden Werkstück tatsächlich herzustellenden Schweißnaht geliefert hat, schreitet der Programmablauf fort zu einem Block 102, wonach die Einheit 44 die Position der tatsächlichen Schweißnaht als Datenpunkt A' aus den Abweichungsdaten D und den für den Punkt A eingege-

benen Daten berechnet. Ist diese Berechnung vollendet, wird zum Block 104 übergegangen, wonach bestimmt wird, ob der erste Wiederholungszyklus mitsamt der damit verbundenen Berechnung der korrigierten Bahndaten für einen jeden der eingegebenen Datenpunkte A, B, C und D beendet ist oder nicht. Im vorliegenden Beispiel, wonach ein bestimmter Datenpunkt A' gerade berechnet wurde, lautet die nach dem Block 104 getroffene Entscheidung "Nein", weshalb der Programmfluß nun entsprechend der Programmlinie 106 über den Flußpunkt 92 zum Funktionsblock 96 zurückkehrt. Bei der betreffenden Funktion werden die eingegebenen Daten um einen Datenpunkt vergrößert, wonach im ersten Wiederholungszyklus 94 fortgefahren wird, die korrigierten Datenpunkte B*, C und D' entsprechend den bei der Instruktion unter Bewegung des Manipulatorarmes 20 eingegebenen Punkten B, C und D zu berechnen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Fl ußdiagramm der Fig. 6 lediglich für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gilt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden die korrigierten Datenpunkte A-, B^f, C und D' beispielsweise erst dann berechnet, nachdem der Manipulatorarm all die eingegebenen Punkte A, B, C und D angefahren hat und die betreffenden Abweichungsdaten D , D, , D und D, gewonnen wurden.

Sind aus der Abbildung des eingegebenen Bahnpunktes D die Daten des letzten korrigierten Bahnpunktes D¹ berechnet Torden, so lautet das Ergebnis in dem Block 104 "Ja", und der Programmablauf schreitet fort über den Flußpunkt 108 zum zweiten Wiederholungszyklus 110 innerhalb des Arbeitsbetriebes 91. In diesem zweiten Wiederholungszyklus 110 wird der Manipulator gemäß Block 112 in die Lage versetzt, die tatsächliche Schweißnaht anzufertigen entsprechend der korrigierten Schweißbahn 80, die durch die aufgrund des ersten Wiederholungszyklusses 94 in der Einheit 44 gespeicherten korrigierten Datenpunkte A', B^f, C und D¹ festgelegt ist. Wenn sich nun dementsprechend die Schweißpistole 26 in ihrer Arbeitsposition befindet, beginnt der Manipulator die Schweißnaht auszuführen mit entsprechender Steuerung der Schweißanlage 32 und mit der gewünschten, in Verbindung mit der Schweißbahn 80 aufgezeichneten Geschwindigkeit in Form von in der Instruktionsphase eingegebenen Geschwindigkeitsdaten. So wird der Manipulatorarm 20 gemäß Block 112 entsprechend gesteuert, um die Schweißpistole 26 entlang der durch die Punkte A', B^f, C^f und D¹ festgelegten Bahn KU führen.

Nach Fertigstellung der Schweißnaht wird gemäß Block 114 ermittelt, ob sich das nächste zu schweißende Werkstück in Position befindet. Lautet die Antwort "Ja", so schreitet das Programm fort entsprechend der Programmlinie 116 zum Flußpunkt 92 am Beginn des ersten Wiederholungszyklusses 94.

.Auf diese Weise wiederholen sich der erste und der zweite Wiederholungszyklus 94 bzw. 110 in Verbindung mit dem nächsten Werkstück. Dieses wird wiederum im ersten Wiederholungszyklus abgetastet, worauf die Berechnung der tatsächlichen Schweißbahn erfolgt, und darauf findet im zweiten Wiederholungszyklus die Schweißung statt.

Lautet das Ergebnis der Untersuchung nach Block 114 "Nein", was bedeutet, daß sich kein neues Werkstück in der Schweiß-* position befindet, so schreitet das Programmtort zu einer Programmendfunktion 118, die den Programmablauf abschließt. Die nächste Werkstückanwesenheitsmeldung nach Block 114 wird bei bestimmten Ausführungsbeispielen entweder durch externe Eingabe seitens der Bedienungsperson oder durch Steuereingangssignale der Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 über eine automatische Werkstückförderanlage oder aber durch Abtastung seitens des Manipulators selbst erhalten.

Nachfolgend seien nun anhand der Fig. 7 die Einzelheiten der . Tragvorrichtung 24 betrachtet, die entweder die Schweißpistole 26 oder aber die Kamera 28 ggf. mitsamt der Muster-Projektionseinrichtung 30 des Abbildungssystems in die Arbeitsstellung über der Schweißbahn auf dem Werkstück bringt. Die Schweißpistole 26 befindet sich auf der Tragvorrichtung 24 in einer Position etwa 180° entfernt von der Projektionseinrichtung 30 und der Kamera 28. Auf diese Weise definiert die Schweißpistole -_t 26 einen Schweißpunkt 122 und die Kamera 28 in Verbindung mit der Projektionseinrichtung 30 ein optisches Zentrum 124 im _f Schnittpunkt ihrer optischen Achsen. Der Schweißpunkt 122 und das optische Zentrum 124 liegen etwa 180° auseinander in bezug auf die Schwenkachse der Tragvorrichtung 24. Diese Achse wird von einem Drehgelenk 126 des Manipulatorarmes 20 gebildet, welches es gestattet, die Tragvorrichtung 24 so zu schwenken, daß sich entweder der Schweißpunkt 122 oder das optische Zentrum 124 auf der Schweißbahn befindet.

Ob sich das optische Zentrum 124 oder der Schweißpunkt 122 auf der Schweißbahn befindet, wird entweder durch geeignete Programmierung der Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 oder durch Eingabe seitens der Bedienungsperson in der lastrwktiomspiaase über di© betreffenden Steuerungsmittel bestimmt. Wie vorausgehend bereits beschrieben, befindet sich der

Schweißpunkt 122 auf der Schweiß:bahn während eines Abschnitts der Instruktionsphase und während des zweiten Wiederholungszyklusses, wohingegen das optische Zentrum während eines anderen Abschnitts der Instruktionsphase und ebenso während des ersten Wiederholungszyklusses auf der Schweißbahn liegt.

In Situationen, wo die Schwenkbewegung der Tragvorrichtung 24 im Gelenk 126 zu unterschiedlichen Versetzungen des optischen Zentrums 124 und des Schweißpunkts 122 in bezug auf die Hand 22 des Manipulatorarmes führt, enthält die Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44 geeignete Daten einschließlich solcher für die Koordinatentransformation entsprechend den verschiedenen Versetzungen des optischen Zentrums und des Schweißpunktes, um entweder das optische Zentrum oder den Schweißpunkt in die richtige Lage entsprechend den gespeicherten Datenpunkten zu bringen und damit die eingegebenen Daten bzw. die korrigierten Bahndaten korrekt zu repräsentieren. Während der Instruktionsphase finden die Daten für die Versetzung des Schweißpunktes und des optischen Zentrums dazu Verwendung, die Kamera 28 bzw. die Schweißpistole 26 genau positionieren und die Positionsdaten für die Manipula torarrapos it ion in einer jeden der gesteuerten Bewegungskoordinaten geeignet aufzeichnen zu können.

Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Schweißpistole 26 und die Kamera 28 auf der Tragvorrichtung 24 derart angeordnet, daß die Kameraachse und der Schweißpunkt 122 beide zugleich auf der Schweißbahn zu liegen kommen. Zudem ist die Projektionseinrichtung 30 auf der Tragvorrichtung 24 so angebracht, daß das optische Zentrum 124 mit dem Schweißpunkt 122 zusammenfällt'.

Anhand der Figuren 8, 9 und 10 sei nun diejenige Ausführungsform betrachtet, wo eigene Tragvorrichtungen 140 (Fig. 8) für die Schweißpistole bzw. 142 (Fig. 9) oder 144 (Fig. 10)

für die Kamera bzw, die Projektionseinrichtung vorgesehen sind, welche der Manipulator automatisch miteinander abwechselnd an seinem Arm anbringt, wie dies gerade für den Programmablauf nach Fig. 6 erforderlich ist. Die automatische Auswechselung dieser Tragvorrichtungen erfolgt in Abhängigkeit von dem Programmablauf in der Datentransformations- und Systemsteuereinheit 44. Die vom Manipulator gegenwärtig nicht benötigte Tragvorrichtung wird in einem nicht gezeigten Halter abgelegt. Der Manipulator nimmt die Tragvorrichtungen in Abhängigkeit von dem Programm automatisch aus den betreffenden Halterungen auf. Selbstverständlich werden auch die verschiedenen Transformationsversetzungen zwischen den Tragvorrichtungen und dem Bezugspunkt der Hand durch die Einheit 44 gespeichert, um die Tragvorrichtungen genau positionieren und die Armpositionsdaten genau aufzeichnen zu können. Es versteht sich, daß die verschiedenen Ausführungsformen der Tragvorrichtungen 24, 140, 142 und 144 ein Sindringem in die Umgebung der Werkstücke nahezu unnötig machen, womit Behinderungen in diesem Bereich vermieden werden.

Nachfolgend sei nun die Arbeitsweise nach der Erfindung betreffend das Datentransformationssystem der Einheit 44 genauer betrachtet, wobei zunächst ©ine verallgemeinerte Koordinatentransformationsanalyse entsprechend verallgemeinerten Manipulatoroperationen erörtert wird.

Die aus der Abbildungsverarbeitungseinheit 40 während des ersten Wiederholungszyklusses erhaltenen Abweichungsdaten werden dem Datentransformationssystem der Einheit 44 in Koordinaten in bezug auf die Orientierung der Koordinatenachsen der Kamera 28 mitgeteilt. Die Abweichungsdaten für einen bestimmten Punkt i, welche vorausgehend beispielsweise mit % bezeichnet wurden, werden durch ihre X- und Z-Komponenten ΔΧ. bzw. Λ7>, dargestellt, welche die Horizontale bzw. die vertikale Versetzung gemäß Fig. 5 bezeichnen. In einer Matrix stellt sich

- -80 -

folgt dar:

10 0 0 10 0 0 1 0 0 0

AXj 0

Δζ,

Die betreffende Ablesung der Abweichungskomponenten erfolgt durch die Einheit 44.

Eine Matrix [C_w] für die Transformation von Kamerakoordinaten in allgemein gültige Bezugskoordinaten für den Manipulator wird erhalten nach der Formel

fc_w] - CvI χ k_Rl,

wobei [r] die Matrix der Transformation von Bezugskoordinaten für die "Handwurzel" des Manipulators in allgemein gültige Koordinaten und [C_RJ die Matrix der Transformation von Kamerabezugskoordinaten in Handwurzelkoordinaten bezeichnet.

So enthält ein Ziel- oder Bestimmungspunkt [pj in dem Arbeite-

- Vt

betrieb für die Schweißung die korrigierten Koordinaten für die Schweißpistole in allgemein gültigen Koordinaten und bestimmt sich wie folgt:

[p_w] - Cc_w] x Cd].

Um die Position des Manipulatorarmes ordnungsgemäß ansteuern zu können, ist es erforderlich, die Koordinatenmatrix [β*-] zu definieren, welche die korrigierte Position und Orientierung für die Handwurzel des Manipulators in allgemein gültigen Koordinaten angibt.

- aar -

Die Matrix [s^s_3 erhält man wie folgti

[p_w.3

l-l

wobei die Matriss [T J die Matrix für die Transformation der Sehweißpistolenkoordinaten im Schweißpunkt 122 in die Besugskoordimaten für- die Handwurzel bezeichnet.

Die Matrix Γκ* J dient dazra, die Arbeitsweise und Positionierung des Manipulators im zweiten Wiederholumgszyklus nach folgender Funktion zu Steuer»;

Er»1 - Lei χ CbJ χ [τ Γ¹.

Ss sei nun detaillierter ©ia bestimmtes Anwendungsbeispiel der Erfindung unter ferweadung ©in©s Manipulators vom Typ PUMA 500 fflsit lfÄL=-Programmierung und-Steuerung betrachtet. Dabei f isidera die" eiagegeb©B©n Punktdaten unmittelbar dazu Verwendung, in Abhängigkeit von den im ersten Wiederholungssyklus erhaltenen Abweichungsdatea die korrigierten Schweißbahndaten zu erhalten.

Genauer gesagt wird die für ©iaen bestirnten eingegebenen Punkt i erhaltene Abweichung von d©r Matrix fDEVJ₁ dargestallt und bezeichnet di© Abweichung des korrigierten Schweißptsmktes gegenüber den Kasaerakoordinaten aus dem ersten Wiederholungszyklus. Di© Matrix für den korrigierten Schweißpunkt [WIEDERHOLUNG]. wird wie folgt erhalten:

[WIEDERHOLUNG]. - [EINGABE ] . χ [DSV ] ,

Die speziellen Variationen uad Hinzufügungen zu dem VAL-Prograumier- und Steuersystem zur Verwirklichung der Erfindung enthalten di© Bsffiaitiom ©iner KABl-BEW A, A'-Funktion oder

- 22 -

'30-

Instruktion, welche die Bewegung des Manipulatorarmes zum Punkt A angibt, wobei die Kameraabweichung [dev] am Punkt A über die Abbildungsverarbeitungseinheit gelesen und daraus ein korrigierter Punkt A¹ bestimmt wird.

Betrachtet man die speziellen Programmschritte, welche bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung auftreten, so finden die folgenden, in den Programmabschnitten PROGRAMMEINGABE und PROGRAMMABLAUF organisierten Programmschritte statt, wie sie sich aus dem Flußdiagramm der Fig. 6 (anhand einer eingegebenen Bahn aus vier Punkten) ergeben:

Englisch:

PROGRAMMEINGABE PROGRAM TEACH

1. WERKZEUG SCHWEISSPISTOLE

2. SCHWEISSGESCHWINDIGKEIT

3. SCHWEISSTROM EIN

4. BEWEGUNG A

5. BEWEGUNG B

6. BEWEGUNG C

7. BEWEGUNG D

8. SCHWEISSTROM AUS

PROGRAMMABLAUF

1.	WIEDERHOLÜNGSZYKLUS	KAMERA	A, A^f
1.	WERKZEUG.	WIEDERHOLUNGSGESCHWINDIGK.	B, C
2.	KAM-BEW	C, C
3.	KAM-BEW	D, D'
4.	KAM-BEW
5.	KAM-BEW
6.

1.	TOOL	WELD	ON
2.	SPEED WELD	A
3.	WELD	B
4.	MOVE	C
5.	MOVE	D
6.	MOVE	OFF
7.	MOVE	REPEAT
8.	WELD	REPEAT PASS ONE
PROGRAM

1. TOOL CAMERA

2. SPEED REPEAT

3. MOVCAM A, A'

4. MOVCAM B, B¹

5. MOVCAM C, C

6. MOVCAM D, D¹

7.	TOOL	WELD	ON
8_β	SPEED WELD	A'
9.	WELD	B«
10.	MOVE	C
11.	KOVE	D^f
12.	MOVE	OFF
13.	MOVE
14.	WELD

- 23 -

• 3

" 2. WIEDEBHOLIMGSZYSLUS EEPEAT PASS TWO

7.- WERKZEUG SCHIfEISSPISTOLS

. '.8. SCHWBISSGBSCHVIIIDIGKBIT

9. SCHWEISSTROM EIN

10- BEWEGUNG A¹

11. BOTIGOTG B*

12. BEWSGUHG C¹ .

13. BEWEGUNG D* ■

14. SCEWEISSTSOM AUS

Zusätzlich gibt die Bedienungsperson während der PROGRAMMEIN-GABE-(flnstruktions^Phase eiss© B®zugsabbildung ein, wie vorausgehend beschrieben. W@it©r wird mit den Progranimschritten WERK-ZEUG|kAM11A und WlSKZEUG SCHWEISSPI STOLE das Jeweils einzusetzende "Werkzeug'" Kamera bzw. Schweißpistole definiert, wobei das VAL-Programm- und Steuersystem die Programminstruktion WERKZEUG [< Transformation^ enthält, mit welcher der Wert der Werkzeugtraiasiormation auf den im Ausdruck <Transformation» enthaltenen Wert festgesetst wird. Der WERKZEUG-Befehl führt zu einer Registrierung (monitoriag) durch das VAL-System, um der Transformationsversetzungsmatrix des angegebenen Werkzeugs zu entsprechen. D.h. eine die Werkzeugversetzungskoordinaten angebende interne Matrix wird automatisch jedesmal dann in Betracht gezogen, wenn Daten aufgezeichnet werden sollen oder wenn der Manipulatorarm zu einem bestimmten Punkt bewegt Wurde.

Im Programmschritt SCHWEISSGESCHWINDIGKEIT der PROGRAMMEINGABE-Ptoase wird die gewünschte Scfeweissgeschwindigkeit, beispielsweise 5 Einheitem/Sekuad©, ©iagegebea. Beim Programmschritt WIEDERHO-LUNGSGSSCHWINDIGKEIT des ersten Wiederholungszyklusses wird die gewünschte Wiederholungsgesciiwindigkeit,, beispielsweise 200 Ein-

I A η ϋ <t J

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet die PROGRAMMEINGABE-Phase nicht statt, und es ist nur die PROGRAMMABLAUF-Phase mit ihren Programmschritten 1-14 erforderlich neben der Eingabe einer Bezugsabbi^dung. Dabei schließen die Programmschritte KAM-BEW im ersten Wiederholungszyklus der PROGRAMMABLAUF-Phase in Verbindung mit dem ersten Werkstück die Bewegung zu den vorbestimmten Punkten A, B, C und D durch die Bedienungsperson mittels der Eingabesteuerarmaturen neben der Erzeugung der Abweichungsdaten über die Abbildungsverarbeitungseinheit und der Bestimmung der korrigierten Datenpunkte A·, B¹, C^f und D¹ ein. Für nachfolgende Werkstücke finden die Programmschritte 1-14 der PROGRAMMABLAUF-Phase und der Arbeitsablauf auf die vorausgehend beschriebene Weise statt, wobei die Programmschritte KAM-BEW in Abhängigkeit von den in Verbindung mit dem ersten Werkstück eingegebenen Daten für die Punkte A, B, C und D ablaufen.

Ungeachtet dessen, daß vorausgehend einzelne Ausführungsbeispiele der Erfindung genauer beschrieben wurden, liegen verschiedene Veränderungen und Modifikationen derselben für den Fachmann auf der Hand. Beispielsweise können verschiedene Arten von Abbildungssystemen in verschiedenen bestimmten Ausführungsbeispielen Anwendung finden, bei denen die Projektionseinrichtung und dazu passende Abtasteinrichtungen mit verschiedenen Arten elektromagnetischer Wellen arbeiten.

Claims

3248

PATENTANSPRÜCHE:

Verfahren zum Betreiben eines als Schweißroboter arbeitenden Manipulators mit einem in mindestens einer Bewegungskoordinate steuerbaren Arm, der an einem in einer Werkstückstation befindlichen Werkstück eine Schweißnaht zu erzeugen vermag, gekennze lehnet durch, die folgenden Verfahrensschritte:

a) Projizieren eines bestimmten Lichtmusters auf die Werkstückstation,

b) Speichern einer Bezugsabbildung (86) dieses projizierten Lichtmusters von einem Bezugswerkstück, das sich an einer vorgegebenen Stelle der Werksttickstation befindet,

c) Eingeben (88) von für eine gewünschte Schweißbahn (z.B. 68) bezeichnenden Manipulatorarmpositionen auf dieser Schweißbahn an einem Werkstück durch Instruktion,

d) Abtasten (98) des auf ein weiteres Werkstück projizierten Lichtmusters während der Manipulatorarm sich entlang der eingegebenen Schweißbahn bewegt, wobei das auf das Werkstück projizierte Lichtmuster die tatsächliche Schweißbahn entlang dem Werkstück definiert,

e) Berechnen (100) der Abweichung zwischen der tatsächlichen Schweißbahn und der von dem Manipulatorarm während des Schrittes d) beschriebenen Bahn in Abhängigkeit vom Ergebnis der Abtastung,

f) Berechnen (102) für die tatsächliche Schweißbahn entlang dem weiteren Werkstück bezeichnender korrigierter Schweißbahndaten aufgrund der berechneten Abweichung und

g) Ausführen der Schweißnaht (112) auf dem weiteren Werkstück unter Steuerung des Manipulatorarmes in Abhängigkeit von den korrigierten Schweißbahndaten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verfahrensschritte d), e), f) und g) für jedes der nacheinander in die Werkstückstation gelangenden Werkstücke wiederholen.
3. Steuerung für einen als Schweißroboter arbeitenden Manipulator mit einem in mindestens einer Bewegungskoordinate steuerbaren Arm, der entlang einem in einer Werkstückstation befindlichen Werkstück eine Schweißbahn zu durchlaufen vermag, in Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) Speichermittel (44) zum Speichern von während einer Instruktionsphase eingegebenen Positionsdaten, die.für eine bestimmte eingegebene Schweißbahn (z.B. 68) in bezug auf

. ein in einer bestimmten Position innerhalb der Werkstückstation befindliches Bezugswerkstück bezeichnend sind,

b) eine Muster-Projektionseinrichtung (30) zum Projizieren eines bestimmten Lichtmusters (z.B. 64, 66) auf ein in der Werkstückstation befindliches Werkstück,

c) Speichermittel (44) zum Speichern einer Bezugsabbildung des projizierten Lichtmusters (64, 66) von dem Bezugswerkstück während der Instruktionsphase,

d) Steuermittel (46) zum Bewegen des Manipulatorarmes (20) entlang der eingegebenen Schweißbahn (68) in bezug auf it ein weiteres Werkstück (14) in der Werkstückstation und in Abhängigkeit von den gespeicherten Positionsdaten während eines ersten Wiederholungszyklusses,

e) Abtastmittel (28) zum Abtasten des auf das weitere Werkstück (14) projizierten Lichtmusters, während der Manipulatorarm (20) in dem ersten Wiederholungszyklus die eingegebene Schweißbahn durchläuft,

f) in Abhängigkeit von den Abtastmitteln (28) arbeitende AbbildungsVerarbeitungsmittel (40) zur Erzeugung von für die Abweichung zwischen der erforderlichen tatsächlichen Schweißbahn (80) in bezug auf das weitere Werkstück (14) und der von dem Manipulatorarm (20) während des ersten Wiederholungszyklusses beschriebenen Bahn (68) bezeichnenden Abweichungsdaten (z.B. D_a, D_b, D_c, D^),

g) aufgrund der Abweiehungsdaten (D_&, D^, D , D.) die tatsächliche Schweißbahn (80) in bezug auf das weitere Werkstück (14) bezeichnende korrigierte Schweißbahndaten erzeugende Schaltmittel (44) und

h) Steuermittel (46), die aufgrund der korrigierten Schweißbahndaten den Manipulatorarm (20) und die Schweißanlage (32) derart steuern, daß der Manipulatorarm in einem zweiten Wiederholungszyklus an dem weiteren Werkstück (14) die Schweißnaht herstellt.
4. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Programmsteuermittel (44), die den ersten und zweiten Wiederholungszyklus in Verbindung mit einem jeden in die Werkstückstation gelangenden weiteren Werkstück (14) wiederholen.

_ 4 —
5. Programmsteuerung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Instruktionsphase gespeicherten Positionsdaten einer Mehrzahl von Punkten (A, B, C, D) der eingegebenen Schweißbahn (68) entsprechen.
6. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel (28) eine Abbildung des Lichtmusters an einem jeden der Bahnpunkte (A, B, C, D) abtasten.
7. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennze ichnet, daß die gespeicherte Bezugsabbildung durch die Abtastmittel (28) an einem oder mehreren vorbestimmten Punkten (z.B. A, B, C, D) der eingegebenen Schweißbahn (68) gewonnen wird.
8. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (30) das Lichtmuster (z.B. 64, 66) unter einem bestimmten Winkel (0) gegenüber einer Bezugsebene auf die Werkstückstation projiziert.
9. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennze ichnet, daß die Abtastmittel Bilderkennungsmittel (28) auf dem Manipulatorarm (20) enthalten.
10. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennze i chnet, daß der Manipulatorarm (20) eine an seinem Ende angeordnete Hand (22) aufweist, die eine Schweißpistole (26) und die Bilderkennungsmittel (28) trägt.
11. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hand (22) eine Einrichtung (24) aufweist, die in der Lage ist, miteinander abwechselnd, vorzugsweise durch eine Schwenkbewegung, entweder die Bilderkennungsmittel (28) oder die Schweißpistole (26) in einer Einsatzstellung gegenüber dem Werkstück (14) zu positionieren.
12. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißpistole (26) einen Schweißpunkt (122) und die Bilderkennungsmittel (28) zusammen mit der Projektionseinrichtung am Schnittpunkt ihrer optischen Achsen ein optisches Zentrum (124) definieren.
13. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißpunkt (122) und das optische Zentrum (124) in bezug auf die Hand (22) an die gleiche Stelle zu bringen sind.
14. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Projektionseinrichtung (30) gleichfalls auf der Hand (22) befindet.
15. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennze lehnet, daß der Manipulatorarm (20) eine Handaufnahmeeinrichtung (126) aufweist, die miteinander abwechselnd eine erste Hand (140) mit einer Schweißpistole und eine zweite Hand (142, 144) mit den Bilderkennungsmitteln aufzunehmen vermag.
16. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 15, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die zweite Hand (142, 144) zusätzlich die Projektionseinrichtung trägt derart, daß sich dieoptischen Achsen der Bilderkennungsmittel und der Projektionseinrichtung in einem optischen Zentrum schneiden.
17. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der Projektionseinrichtung und der Bilderkennungsmittel über einen Spiegel zum Schnitt gebracht sind.
18. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (14) zwei oder mehr im wesentlichen ebene Teile (60, 62; 70, 72) in bestimmter gegenseitiger Anordnung aufweist, welche die Schweißbahn (68 bzw. 80) bezeichnen.
19. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (30) auf das Werkstück (14) ein Schlitzmuster (64, 66; 74, 76) projiziert.
20. Manipulatorsteuerung nach Anspruch 19, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß das über die Schweißbahn (68) hinweg auf das Werkstück (14) projizierte Schlitzmuster (64, 66; 74, 76) ein solches ist, daß es durch die Form und/oder Position des Werkstücks eine Transformation erfährt.
■21. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückteile (70, 72) einander überlappend angeordnet sind.
22. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennze ichnet, daß die Werkstückteile (60, 62) miteinander mindestens einen Winkel bilden.
23. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch geke nnze ichnet, daß die Werkstückteile (60, 62; 70, 72) entsprechend zueinander angeordnet sind, daß sie die Schweißbahn durch aneinanderstoßende Kanten definieren.
24. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 23, dadurch gekennze ichnet, daß die Schaltmittel (44) zur Erzeugung der korrigierten Schweißbahn (80) in Abhängigkeit von der tatsächlichen Position des Manipulatorarmes (20) an einem jeden der für die Abbildung abgetasteten Punkte (z.B. A, B, C, D) arbeiten.
25. Manipulatorsteuerung nach einem der. Ansprüche 3 bis 23, dadurch gekennze ichnet, daß die Schaltmittel (44) zur Erzeugung der korrigierten Schweißbahn (80) in Abhängigkeit von den Bahndaten für die eingegebenen Punkte arbeiten.
26. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 25, gekennzeichnet durch Prograramsteuermittel (44) zur Speicherung von Schweißbedingungsparametern einschließlich solchen für die Schweißgeschwindigkeit.
27. Manipulatorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 26, gekennzeichnet durch Programmsteuermittel (44) zur Bewegung des Manipulatorarmes (20) während des ersten Wiederholungszyklusses mit einer um mindestens eine Größenordnung höheren Geschwindigkeit als derjenigen, mit der sich der Manipulatorarm während des zweiten Wiederholungszyklusses bewegt.
28. Steuerung für einen als Schweißroboter arbeitenden Manipulator mit einem in mindestens einer Bewegungskoordinate steuerbaren Arm, gekennzeichnet durch

a) Speichermittel (44) zum Speichern eines bestimmten, auf ein erstes Werkstück in einer bestimmten Position projizierten Lichtmusters,

b) Steuermittel (46) zum Bewegen des Manipulatorarmes (20) entlang einer durch Instruktion eingegebenen Schweißbahn (z.B. 68) an einem weiteren Werkstück (14),

c) Abtastmittel (28) zum Abtasten des projezierten Lichtmusters entlang der eingegebenen Schweißbahn (68) und Bestimmen der erforderlichen tatsächlichen Schweißbahn (80) an dem weiteren Werkstück (14),

d) in Abhängigkeit von den Abtastmitteln (28) arbeitende Abbildungsverarbeitungsmittel (40) zum Bestimmen der Abweichung (D) zwischen der tatsächlichen (80) und der eingegebenen Schweißbahn (68),

e) von den Abbildungsverarbeitungsmitteln (40) abhängige Schaltmittel (44) zum Berechnen für die tatsächliche Schweißbahn (80) auf dem weiteren Werkstück (14) bezeichnender korrigierter Schweißbahndaten und

f) aufgrund der korrigierten Schweißbahndaten entlang der tatsächlichen Schweißbahn (80) die Schweißnaht auf dem weiteren Werkstück herstellende Steuermittel (46),