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DE102023108739A1 - Calibration tool, calibration system and method for autonomous calibration of a robot - Google Patents

Calibration tool, calibration system and method for autonomous calibration of a robot Download PDF

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DE102023108739A1
DE102023108739A1 DE102023108739.8A DE102023108739A DE102023108739A1 DE 102023108739 A1 DE102023108739 A1 DE 102023108739A1 DE 102023108739 A DE102023108739 A DE 102023108739A DE 102023108739 A1 DE102023108739 A1 DE 102023108739A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
calibration
rotary
calibration element
bushing
centering
Prior art date
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Pending
Application number
DE102023108739.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Sascha Frolow
Dominic Matheis
Martin Deusing
Andreas Kolb
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMART COBOTIX SOLUTIONS GMBH, DE
Original Assignee
Smart Cobotix Solutions GmbH
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/007Manipulators mounted on wheels or on carriages mounted on wheels
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    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
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    • B25J9/1679Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1692Calibration of manipulator
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/39Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39024Calibration of manipulator

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kalibrierwerkzeug (1) zum selbstständigen Kalibrieren eines Roboters (60) zum wiederholten hochpräzisen Auffinden einer oder mehrerer verschiedener Bearbeitungspositionen des Roboters (60), wobei das Kalibrierwerkzeug (1) umfasst:ein erstes Kalibrierelement (10), das zur Anordnung an einem Roboterarm (64) eines mobilen oder stationären Roboters (60) ausgebildet ist, undein zweites Kalibrierelement (30), das zur Anordnung an einer stationären oder mobilen Kalibrierstation (5) ausgebildet ist,wobei das erste oder das zweite Kalibrierelement (10, 30) einen Zentrierzapfen (12) umfasst, und wobei das zweite oder das erste Kalibrierelement (30, 10) eine komplementär zum Zentrierzapfen (12) konturierte Buchse (32) umfasst, wobei der Zentrierzapfen (12) zum Eintauchen in eine Eintauchrichtung (f1) in die Buchse (32) bis in eine Endstellung ausgebildet ist, undwobei das erste oder das zweite Kalibrierelement (10, 30) ein seitlich des Zentrierzapfens (12) oder der Buchse (32) angeordnetes Drehzentrierteil (42) aufweist, das mit einem an dem zweiten oder ersten Kalibrierelement (30, 10) angeordneten Drehgegenstück (22) durch Drehen um die Eintauchrichtung (f1) kontaktierend zusammenwirkt, um aus diesen Drehbewegungen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) die Drehposition des ersten oder des zweiten Kalibrierelements (10, 30) zu ermitteln.The invention relates to a calibration tool (1) for the independent calibration of a robot (60) for the repeated, highly precise locating of one or more different processing positions of the robot (60), wherein the calibration tool (1) comprises: a first calibration element (10) which is designed to be arranged on a robot arm (64) of a mobile or stationary robot (60), and a second calibration element (30) which is designed to be arranged on a stationary or mobile calibration station (5), wherein the first or the second calibration element (10, 30) comprises a centering pin (12), and wherein the second or the first calibration element (30, 10) comprises a bushing (32) contoured complementarily to the centering pin (12), wherein the centering pin (12) is designed to be immersed in an immersion direction (f1) into the bushing (32) up to an end position, and wherein the first or the second calibration element (10, 30) a rotary centering part (42) arranged laterally of the centering pin (12) or the bushing (32), which interacts with a rotary counterpart (22) arranged on the second or first calibration element (30, 10) by rotating about the immersion direction (f1) in order to determine the rotary position of the first or second calibration element (10, 30) from these rotary movements of the first or second calibration element (10, 30).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalibriersystem zum selbstständigen Kalibrieren eines Roboters zum wiederholten hochpräzisen Auffinden einer oder mehrerer verschiedener Bearbeitungspositionen des Roboters.The invention relates to a calibration system for the independent calibration of a robot for the repeated, high-precision locating of one or more different processing positions of the robot.

Der Begriff mobile Robotik beinhaltet, dass ein Roboter flexibel an verschiedenen Orten eingesetzt werden kann. Verändert er seine Position, muss er an seinem neuen Ort exakt ausgerichtet werden, damit er sein einstmals erlerntes Programm, an seiner neuen Position, wieder fehlerfrei ausführen kann.The term mobile robotics means that a robot can be used flexibly in different locations. If it changes its position, it must be precisely aligned in its new location so that it can execute the program it once learned without errors in its new position.

Kalibriersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die JP 5 337 856 A ein als Konus ausgebildetes erstes Kalibierelement, das an einem distalen Ende eines Roboters angeordnet ist und in eine komplementär ausgebildete Buchse als zweites Kalibrierelement eingeführt wird. Bei ausgeschaltetem Antrieb und abgeschalteter Bremse fällt das erste Kalibrierelement aufgrund der Schwerkraft in die Buchse, um eine Kalibrierposition zu ermitteln.Calibration systems are known from the state of the art. For example, the JP 5 337 856 A a first calibration element in the form of a cone, which is arranged at a distal end of a robot and is inserted into a complementarily designed socket as a second calibration element. When the drive and brake are switched off, the first calibration element falls into the socket due to gravity in order to determine a calibration position.

In der EP 2 328 724 A1 ist ein Kalibrierwerkzeug zur Kalibrierung eines insbesondere sechsachsigen Industrieroboters beschrieben, bei dem ein Stift, Stab oder Zapfen eines ersten Kalibrierelements in eine komplementär ausgebildete Buchse eines zweiten Kalibrierelements eintaucht. Die Kalibrierung wird auch hierbei mittels mechanischer Zwangsführung bewirkt, welches durch das Kalibrierwerkzeug im Zusammenwirken mit einer Messanordnung, insbesondere einem Kraftsensor, bewirkt wird.In the EP 2 328 724 A1 A calibration tool for calibrating an industrial robot, in particular a six-axis one, is described, in which a pin, rod or pin of a first calibration element is inserted into a complementary socket of a second calibration element. The calibration is also effected here by means of mechanical forced guidance, which is effected by the calibration tool in conjunction with a measuring arrangement, in particular a force sensor.

Die bekannten Kalibrierwerkzeuge sind teils umständlich in der Handhabung und teils umständlich im Aufbau. Insbesondere benötigen sie komplizierte Nullspannsysteme oder sehr aufwendige und teure Kameratechniken. Außerdem sind sie für viele Anwendungen nicht geeignet.The known calibration tools are sometimes difficult to handle and sometimes difficult to set up. In particular, they require complicated zero clamping systems or very complex and expensive camera technology. In addition, they are not suitable for many applications.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kalibrierwerkzeug, ein Kalibriersystem und ein Verfahren zum selbstständigen Kalibrieren eines Roboters zur Verfügung zu stellen, das hochpräzise ein sicheres und wiederholtes Anfahren einer Kalibrierstation und damit das selbstständige Kalibrieren eines Roboters ermöglicht, insbesondere auch eines verfahrbaren Roboters, bei dem die Anforderungen hinsichtlich Präzision besonders hoch sind.It is an object of the present invention to provide a calibration tool, a calibration system and a method for the independent calibration of a robot, which enables a safe and repeated approach to a calibration station with high precision and thus the independent calibration of a robot, in particular also of a movable robot, for which the requirements in terms of precision are particularly high.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.This problem is solved by the subject matter of the independent claims.

Gemäß der Erfindung wird ein Kalibrierwerkzeug zur Verfügung gestellt, dass ein erstes Kalibrierelement und ein zweites Kalibrierelement umfasst, die beide zueinander komplementär bzw. korrespondierend ausgebildet sind. Eines der beiden Kalibrierelemente umfasst einen Zentrierzapfen und das andere Kalibrierelement umfasst eine korrespondierend zum Zentrierzapfen ausgebildete Buchse. Der Zentrierzapfen kann in eine Eintauchrichtung in die Buchse eingefahren werden (oder umgekehrt), bis er eine definierte Endstellung einnimmt. Weiterhin umfasst das Kalibrierwerkzeug ein Drehzentrierteil, das seitlich des Zentrierzapfens oder der Buchse vorgesehen ist und, vorzugsweise im zumindest teilweise eingetauchten Zustand des Zentrierzapfens in die Buchse, mit einem Drehgegenstück zusammenwirkt, um die Drehposition des ersten oder des zweiten Kalibrierelements zu ermitteln.According to the invention, a calibration tool is provided that comprises a first calibration element and a second calibration element, both of which are designed to be complementary or corresponding to one another. One of the two calibration elements comprises a centering pin and the other calibration element comprises a bushing designed to correspond to the centering pin. The centering pin can be inserted into the bushing in an immersion direction (or vice versa) until it assumes a defined end position. The calibration tool also comprises a rotary centering part that is provided to the side of the centering pin or the bushing and, preferably in the at least partially immersed state of the centering pin in the bushing, cooperates with a rotary counterpart in order to determine the rotational position of the first or second calibration element.

Mittels der Erfindung kann eine Kalibrierung vorgenommen werden, bei der neben den drei Raumkoordinaten x, y, z auch die Winkel im Raum (dargestellt durch Rotationsvektoren rx, ry, rz) wiederholt ermittelt und - wenn nötig - korrigiert werden. Die drei Raumkoordinaten werden insbesondere durch das zwangsgeführte Eintauchen des Zentrierzapfens in die Buchse ermittelt bzw. bestätigt, wenn sich der Zentrierzapfen in seiner Endstellung befindet. Hierbei definiert vorzugsweise die Spitze des Zentrierzapfens die Raumkoordinaten x, y und z. Die drei Rotationsvektoren werden mittels des Drehzentrierteils und des Drehgegenstücks ermittelt. Hierbei sind vorzugsweise schon zwei der drei Rotationsvektoren durch die Festlegung des Drehzentrierteils bzw. des Drehgegenstücks festgelegt; der dritte Rotationsvektor wird dann durch das Drehen des Drehzentrierteils relativ zum Drehgegenstück ermittelt.By means of the invention, a calibration can be carried out in which, in addition to the three spatial coordinates x, y, z, the angles in space (represented by rotation vectors rx, ry, rz) are also repeatedly determined and - if necessary - corrected. The three spatial coordinates are determined or confirmed in particular by the forced immersion of the centering pin into the bushing when the centering pin is in its end position. In this case, the tip of the centering pin preferably defines the spatial coordinates x, y and z. The three rotation vectors are determined by means of the rotary centering part and the rotary counterpart. In this case, two of the three rotation vectors are preferably already determined by determining the rotary centering part or the rotary counterpart; the third rotation vector is then determined by rotating the rotary centering part relative to the rotary counterpart.

Die Formulierung „Eintauchen des Zentrierzapfens“ umfasst auch die Relativbewegung, dass die Buchse in Richtung des Zentrierzapfens bewegt und über diesen gestülpt wird, also nicht nur die Bewegung des Zentrierzapfens in Richtung der Buchse und in die Buchse hinein. Hierauf wird an einigen Stellen wiederholt hingewiesen.The phrase "plunging in of the centering pin" also includes the relative movement of the bushing being moved in the direction of the centering pin and being pulled over it, not just the movement of the centering pin in the direction of the bushing and into the bushing. This is repeatedly pointed out in some places.

Unter dem Begriff „Roboter“ sind vorliegend automatisierte, von Computerprogrammen gesteuerte Handhabungseinrichtungen zu verstehen, die wiederkehrende mechanische Arbeiten erledigen. Sie können mobile oder ortsfeste Maschinen sein. Insbesondere umfasst der Begriff „Roboter“ vorliegend Industrieroboter sowie kollaborative Roboter (sog. Cobots) jeglicher Art, wobei die Roboter insbesondere 5- bis 7-achsig ausgebildet sein können.The term "robot" refers to automated handling devices controlled by computer programs that carry out repetitive mechanical work. They can be mobile or stationary machines. In particular, the term "robot" includes industrial robots and collaborative robots (so-called cobots) of all kinds, whereby the robots can in particular be designed with 5 to 7 axes.

Das Drehzentrierteil kann aus ein oder mehreren Bestandteilen bestehen, die in letzterem Fall auch räumlich getrennt voneinander angeordnet sein können, beispielsweise als räumlich getrennte Vorsprünge. Gleiches gilt auch entsprechend für das Drehgegenstück.The rotary centering part can consist of one or more components, which in the latter case can also be arranged spatially separated from each other can be, for example, as spatially separated projections. The same applies to the rotating counterpart.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind das Drehzentrierteil und das Drehgegenstück räumlich getrennt von dem Zentrierzapfen und der Buchse angeordnet. Beispielsweise ist das Drehzentrierteil seitlich vom Zentrierzapfen oder der Buchse in einem Abstand von einigen Millimetern oder Zentimetern vorgesehen, beispielsweise an einer Basisplatte, auf der auch der Zentrierzapfen oder die Buchse angeordnet ist. In diesem Fall ist beispielsweise die Längsachse des Zentrierzapfens bzw. der Buchse in Eintauchrichtung ausgerichtet. Seitlich der Längsachse des Zentrierzapfens bzw. der Buchse ist dann das Drehzentrierteil angeordnet, das ebenfalls in Eintauchrichtung ausgerichtet sein kann. Entsprechendes gilt auch für das Drehgegenstück, das in diesem Fall seitlich versetzt zur Buchse bzw. des Zentrierzapfens vorgesehen ist, beispielsweise auch an einer Basisplatte für die Buchse bzw. des Zentrierzapfens.According to a preferred embodiment, the rotary centering part and the rotary counterpart are arranged spatially separated from the centering pin and the bushing. For example, the rotary centering part is provided laterally from the centering pin or the bushing at a distance of a few millimeters or centimeters, for example on a base plate on which the centering pin or the bushing is also arranged. In this case, for example, the longitudinal axis of the centering pin or the bushing is aligned in the immersion direction. The rotary centering part is then arranged laterally of the longitudinal axis of the centering pin or the bushing, which can also be aligned in the immersion direction. The same applies to the rotary counterpart, which in this case is provided laterally offset from the bushing or the centering pin, for example also on a base plate for the bushing or the centering pin.

Gemäß einer Alternative weist das Drehzentrierteil mindestens einen Vorsprung auf, der in einem Winkel bezogen auf die Längsachse des Zentrierzapfens nach außen absteht. Das Drehgegenstück seinerseits weist mindestens zwei Vorsprünge auf. Nun kann der Vorsprung des Drehzentrierteils in der Endstellung des Zentrierzapfens zwischen den beiden Vorsprüngen des Drehgegenstücks gedreht werden, bis er an den beiden Vorsprüngen anschlägt, woraus die Kontrolleinrichtung wiederum die Winkel- bzw. Drehposition des ersten Kalibrierelements ermitteln kann.According to an alternative, the rotary centering part has at least one projection that projects outwards at an angle relative to the longitudinal axis of the centering pin. The rotary counterpart in turn has at least two projections. The projection of the rotary centering part can now be rotated in the end position of the centering pin between the two projections of the rotary counterpart until it strikes the two projections, from which the control device can in turn determine the angular or rotary position of the first calibration element.

Gemäß einer weiteren Alternative weist das Drehzentrierteil ebenfalls mindestens einen Vorsprung auf, der in einem Winkel bezogen auf die Längsachse des Zentrierzapfens nach außen absteht. Das Drehgegenstück ist bei dieser Alternative als Sackloch ausgebildet, in das der Vorsprung einfährt und im Winkelbereich des Langlochs drehbar ist.According to a further alternative, the rotary centering part also has at least one projection that protrudes outwards at an angle relative to the longitudinal axis of the centering pin. In this alternative, the rotary counterpart is designed as a blind hole into which the projection enters and can be rotated in the angular range of the elongated hole.

Gemäß einer weiteren Alternative ist das Drehzentrierteil an dem Zentrierzapfen oder der Buchse und das Drehgegenstück an der Innenwand der Buchse oder der Außenwand des Zentrierzapfens angeordnet. Beispielsweise ist als Drehzentrierteil ein relativ schmaler, beispielsweise langgestreckter, Vorsprung an der Außenwand des Zentrierzapfens vorgesehen, der in einer in Radialrichtung zurückgesetzten Einbuchtung (als Drehgegenstück) in der Buchse um die Eintauchrichtung drehbar ist. Die Einbuchtung verläuft hierbei über einen Teilumfang der Buchse. Alternativ ist eine solche Einbuchtung auch im Zentrierzapfen und ein Vorsprung in der Buchse möglich.According to a further alternative, the rotary centering part is arranged on the centering pin or the bushing and the rotary counterpart is arranged on the inner wall of the bushing or the outer wall of the centering pin. For example, a relatively narrow, elongated, projection on the outer wall of the centering pin is provided as the rotary centering part, which can be rotated around the immersion direction in a recess set back in the radial direction (as a rotary counterpart) in the bushing. The recess runs over a partial circumference of the bushing. Alternatively, such a recess is also possible in the centering pin and a projection in the bushing.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Drehzentrierteil beim (relativen) Eintauchen des Zentrierzapfens in die Buchse eine erste Kontaktfläche des Drehgegenstücks berühren und an dieser ersten Kontaktfläche durch Drehen des ersten oder zweiten Kalibrierelements um die Eintauchrichtung entlang gleiten und zwar so lange, bis das Drehzentrierteil durch Bewegen des ersten oder zweiten Kalibrierelements in Eintauchrichtung in das Drehgegenstück einzugreifen bzw. einzufahren vermag. In diesem eingetauchten Zustand kann dann das Drehzentrierteil gemäß dieser Ausführungsform in dem Drehgegenstück gedreht werden. Alternativ ist das Drehgegenstück in der Art eines vorzugsweise in Eintauchrichtung linear verlaufenden Schachts ausgebildet, der keine Drehung des Drehzentrierteils mehr erlaubt, wenn dieser erst einmal in den Schacht eingefahren ist. Die Endstellung des dann nicht mehr drehbaren Zentrierzapfens ist nach vollständigem Einfahren in die Buchse erreicht. Hierbei kann das Drehzentrierteil auch beispielsweise zwei in einem Winkel bezogen auf die Längsachse des Zentrierzapfens nach außen abstehende Vorsprünge aufweisen, die sich gegenüberliegen und jeweils in entsprechend sich gegenüberliegende Schächte eintauchen, die das Drehgegenstück bilden. Diese Ausgestaltungen stellen sicher, dass das Drehzentrierteil tatsächlich mit dem Drehgegenstück zusammenwirken kann, auch wenn es zunächst nur auf eine oder mehrere erste Kontaktflächen des Drehgegenstücks auftrifft, danach aber in den eingeführten Zustand geleitet wird.According to a further advantageous embodiment, the rotary centering part can touch a first contact surface of the rotary counterpart when the centering pin is (relatively) immersed in the bushing and can slide along this first contact surface by rotating the first or second calibration element around the immersion direction until the rotary centering part can engage or retract into the rotary counterpart by moving the first or second calibration element in the immersion direction. In this immersed state, the rotary centering part can then be rotated in the rotary counterpart according to this embodiment. Alternatively, the rotary counterpart is designed in the form of a shaft that preferably runs linearly in the immersion direction and no longer allows rotation of the rotary centering part once it has been inserted into the shaft. The end position of the centering pin, which can then no longer be rotated, is reached after it has been completely inserted into the bushing. In this case, the rotary centering part can also have, for example, two projections that protrude outwards at an angle relative to the longitudinal axis of the centering pin, which are opposite one another and each penetrate into correspondingly opposite shafts that form the rotary counterpart. These designs ensure that the rotary centering part can actually interact with the rotary counterpart, even if it initially only hits one or more first contact surfaces of the rotary counterpart, but is then guided into the inserted state.

Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass das Drehzentrierteil mindestens einen Passstift und das Drehgegenstück ein gekrümmtes Langloch umfassen. Der Passstift ist beispielsweise seitlich der Buchse vorgesehen und ragt gegen die Eintauchrichtung des Zentrierzapfens, während das Langloch seitlich neben dem Zentrierzapfen, korrespondierend zum Passstift und mit diesem fluchtend anordenbar, vorgesehen ist. Bevorzugt erstreckt sich das Langloch hierbei in einer Richtung, die senkrecht zur Eintauchrichtung liegt. Vorzugsweise sind hierbei Passstift und Buchse einerseits und Langloch und Zentrierzapfen andererseits jeweils einstückig oder zumindest in fester räumlicher Relation zueinander Bestandteil des jeweiligen Kalibrierelements.An advantageous embodiment provides that the rotary centering part comprises at least one dowel pin and the rotary counterpart comprises a curved elongated hole. The dowel pin is provided, for example, on the side of the bushing and protrudes against the immersion direction of the centering pin, while the elongated hole is provided on the side next to the centering pin, corresponding to the dowel pin and can be arranged in alignment with it. The elongated hole preferably extends in a direction that is perpendicular to the immersion direction. Preferably, the dowel pin and bushing on the one hand and the elongated hole and centering pin on the other hand are each integral or at least part of the respective calibration element in a fixed spatial relationship to one another.

Der Passstift kann gemäß einer Alternative auch seitlich des Zentrierzapfens und das Drehgegenstück seitlich der Buchse vorgesehen sein.According to an alternative, the dowel pin can also be provided on the side of the centering pin and the rotating counterpart on the side of the bushing.

Vorzugsweise vermag der Passstift durch Bewegen des ersten oder zweiten Kalibrierelements in Eintauchrichtung in das Langloch einzutauchen. Durch Drehen des ersten oder zweiten Kalibrierelements um die Eintauchrichtung, die beim Drehen vorzugsweise mit der Längsachse des Zentrierzapfens zusammenfällt, kommt dann der Passstift an mindestens einem, vorzugsweise beiden Enden des Langlochs zur Anlage. Alternativ kann eine der beiden Endpositionen des Passstifts ermittelt werden, wenn dieser beim Eintauchen des Zentrierzapfens an der Wandung eines der Lochenden entlanggleitet. In jedem dieser Fälle kann hieraus dann rechnerunterstützt die Drehposition des ersten bzw. des zweiten Kalibrierelements ermittelt werden.Preferably, the dowel pin can be inserted into the slot by moving the first or second calibration element in the insertion direction. By rotating the first or second calibration element about the insertion direction, which preferably coincides with the longitudinal axis of the centering pin when rotating, the dowel pin then comes to at least at least one, preferably both ends of the elongated hole. Alternatively, one of the two end positions of the dowel pin can be determined if it slides along the wall of one of the hole ends when the centering pin is inserted. In each of these cases, the rotational position of the first or second calibration element can then be determined with the aid of a computer.

Bei einer Weiterbildung kann beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite des Passstifts und ebenfalls von der Auskragung abstehend ein Stützstift angeordnet sein, der in der gleichen Höhe wie der Passstifts endet, aber vorzugsweise radial weiter außen (alternativ weiter innen) angeordnet ist als der Passstift. Die Basisplatte kommt beim Eintauchen des ersten Kalibrierelements gegen den Stützstift ebenso zur Anlage wie gegen den Passstift, wenn das Langloch mit dem Passstift fluchtet. Die Last der Basisplatte verteilt sich dann sowohl auf den Passstift als auch auf den Stützstift, so dass eine zu hohe Belastung des Passstifts verhindert wird. Damit der Stützstift nicht einem Einfahren des Langlochs im Wege steht, wenn das Langloch über dem Passstift steht, ist in der Basisplatte ein weiteres gekrümmtes Langloch vorgesehen, das dem Langloch gegenüber angeordnet ist. Das Langloch für den Stützstift, das ebenfalls in einem größeren (alternativ kleineren) radialen Abstand zur Längsachse der Buchse verläuft als das Langloch, erstreckt sich hierbei zweckmäßigerweise über einen größeren Winkelbereich als das Langloch. Diese Ausgestaltung gewährleistet, dass der Stützstift tatsächlich nur zur Lastaufnahme dient und nicht die Kalibrierung beeinflusst oder eine Fehlmessung verursacht.In a further development, for example, a support pin can be arranged on the opposite side of the dowel pin and also protruding from the projection, which ends at the same height as the dowel pin, but is preferably arranged radially further outwards (alternatively further inwards) than the dowel pin. When the first calibration element is immersed, the base plate comes into contact with the support pin just as it does with the dowel pin when the elongated hole is aligned with the dowel pin. The load of the base plate is then distributed over both the dowel pin and the support pin, so that the dowel pin is not subjected to excessive loading. So that the support pin does not get in the way of the elongated hole being retracted when the elongated hole is above the dowel pin, another curved elongated hole is provided in the base plate, which is arranged opposite the elongated hole. The elongated hole for the support pin, which also runs at a greater (alternatively smaller) radial distance from the longitudinal axis of the bushing than the elongated hole, expediently extends over a larger angular range than the elongated hole. This design ensures that the support pin actually only serves to support the load and does not influence the calibration or cause an incorrect measurement.

Vorzugsweise weist der Zentrierzapfen eine nicht-lineare Seitenflächenkontur als Außenkontur auf, während die Buchse eine dementsprechende Innenkontur aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass eine solche Außenkontur des Zentrierzapfens ein Aufschaukeln einer Regel- bzw. Kontrolleinrichtung verhindert (s. hierzu auch weiter unten). Ein solches Aufschaukeln war von den Erfindern insbesondere bei Ausführungen zu beobachten, bei denen der Zentrierzapfen zylindrisch oder konisch ausgebildet war. Es wird seitens der Erfinder vermutet, dass das instabile Verhalten der Kontrolleinrichtung aus einer mehrdeutigen Positionsbestimmung eines solchen Zentrierzapfens in der Buchse und/oder durch zu hohe Reibung zwischen Zentrierzapfen und Buchse beim Eintauchen resultierte.The centering pin preferably has a non-linear side surface contour as an outer contour, while the bushing has a corresponding inner contour. It has been found that such an outer contour of the centering pin prevents a control or monitoring device from rocking (see also below). The inventors observed such rocking in particular in designs in which the centering pin was cylindrical or conical. The inventors suspect that the unstable behavior of the monitoring device resulted from an ambiguous determination of the position of such a centering pin in the bushing and/or from excessive friction between the centering pin and the bushing when immersed.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Zentrierzapfen, der sich bevorzugt generell zu seiner Spitze hin verjüngt, gestuft ausgebildet ist und hierbei vorzugsweise zweifach gestuft. Gute und hochpräzise Ergebnisse wurden mit einem doppelt gestuften Konus als Zentrierzapfen erhalten, wobei die Buchse komplementär mit einem doppelt gestuften Innenkonus ausgeführt ist.It has proven to be particularly advantageous if the centering pin, which preferably generally tapers towards its tip, is stepped and preferably double-stepped. Good and highly precise results were obtained with a double-stepped cone as the centering pin, with the bushing being designed to complement it with a double-stepped inner cone.

Bevorzugt sind sowohl der Zentrierzapfen als auch die Buchse rotationssymmetrisch ausgebildet. Bei einer Bewegung des Zentrierzapfens von oben in die Buchse hinein ist die Eintauchrichtung gleichzeitig die z-Achse und die Längsachse des Zentrierzapfens.Preferably, both the centering pin and the bushing are rotationally symmetrical. When the centering pin moves from above into the bushing, the immersion direction is simultaneously the z-axis and the longitudinal axis of the centering pin.

Es ist aber auch ohne weiteres möglich, dass die Eintauchrichtung des Zentrierzapfens (oder der Buchse) in die Buchse (oder in den Zentrierzapfen) in x- oder in y-Richtung oder in eine beliebige Richtung im Raum liegt. Die Rotations- und Längsachse des Zentrierzapfens fällt aber auch hier vorteilhafterweise mit der Eintauchrichtung zusammen.However, it is also possible for the insertion direction of the centering pin (or the bushing) into the bushing (or into the centering pin) to be in the x or y direction or in any other direction in space. The rotational and longitudinal axis of the centering pin also advantageously coincides with the insertion direction here.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Buchse eine nach unten hin ausgerichtete Öffnung aufweist. Hierbei kann Schmutz, der beispielsweise an dem Zentrierzapfen haftet und durch Berührung mit der Buchse oder durch sonstige Bewegung abfällt, durch diese Öffnung nach unten aus der Buchse fallen. Eine Beeinträchtigung der Messpräzision durch das Vorhandensein von Schmutz an Zentrierzapfen und/oder Buchse wird hierdurch verhindert.A preferred embodiment provides that the bushing has an opening pointing downwards. In this case, dirt that adheres to the centering pin, for example, and falls off through contact with the bushing or through other movement, can fall downwards out of the bushing through this opening. This prevents the measurement precision from being impaired by the presence of dirt on the centering pin and/or bushing.

Die Erfindung betrifft zudem ein Kalibriersystem mit einem wie oben beschriebenen Kalibrierwerkzeug. Hierbei umfasst das Kalibriersystem einen Roboter mit einem Roboterarm, an dem einerseits das erste oder das zweite Kalibrierelement befestigbar ist und andererseits ein Werkzeug oder Werkstück in fester Relation zum ersten bzw. zweiten Kalibrierelement aufnehmbar ist. Der Roboterarm ist kraftgeregelt, indem an oder in dem Roboterarm eine Kraftmesseinrichtung, vorzugsweise eine Sensoreinrichtung mit mindestens einem Kraft- und/oder Momenten-Sensor und hierbei vorzugsweise ausgebildet als ein oder mehrere mehrachsige Kraft-Momenten-Sensoren, vorgesehen ist. Alternativ kann die Kraftmesseinrichtung die Kräfte auch sensorlos z.B. anhand der Motorströme in den Antrieben der Roboterarmsegmente schätzen. Die Kraftmesseinrichtung erfasst die Kontaktpunkte von Zentrierzapfen und Buchse und/oder die durch Kontakt von Zentrierzapfen und Buchse auftretenden Kräfte sowie die Kontaktpunkte von Drehzentrierteil und Drehgegenstück und/oder die durch Kontakt von Drehzentrierteil und Drehgegenstück auftretenden Kräfte. Die entsprechenden Messwerte leitet die Kraftmesseinrichtung an eine rechnergesteuerte Kontrolleinrichtung, die Steuer- und/oder Regelfunktionen ausführt und insbesondere die Bewegung des Zentrierzapfens relativ zur Buchse und die Bewegung des Drehzentrierteils relativ zum Drehgegenstück steuert.The invention also relates to a calibration system with a calibration tool as described above. The calibration system comprises a robot with a robot arm to which the first or second calibration element can be attached and to which a tool or workpiece can be held in a fixed relation to the first or second calibration element. The robot arm is force-controlled by providing a force measuring device on or in the robot arm, preferably a sensor device with at least one force and/or torque sensor and preferably designed as one or more multi-axis force-torque sensors. Alternatively, the force measuring device can also estimate the forces without sensors, e.g. based on the motor currents in the drives of the robot arm segments. The force measuring device records the contact points of the centering pin and bushing and/or the forces arising from contact between the centering pin and bushing, as well as the contact points of the rotary centering part and rotary counterpart and/or the forces arising from contact between the rotary centering part and rotary counterpart. The force measuring device transmits the corresponding measured values to a computer-controlled control device which carries out control and/or regulating functions and in particular controls the movement of the centering pin relative to the bushing and the movement of the rotary centering part relative to the rotary counterpart.

Kraftregelung bezeichnet hier die Regelung der Kraft, mit welcher das Kalibrierelement am Roboterarm auf das Kalibrierelement an der Kalibrierstation einwirkt. Die einwirkende Kraft wird für die Regelung üblicherweise über Kraftaufnehmer gemessen oder über den Motorstrom geschätzt. Aus den entsprechenden Ergebnissen steuert die Kontrolleinrichtung die relative Fahrt des ersten Kalibrierelements zum zweiten.Force control here refers to the control of the force with which the calibration element on the robot arm acts on the calibration element on the calibration station. The force acting is usually measured for control purposes using force sensors or estimated using the motor current. The control device uses the corresponding results to control the relative movement of the first calibration element to the second.

Vorteilhafterweise ist die Kontrolleinrichtung zur Steuerung der folgenden Verfahrensschritte ausgebildet:

  • - durch Bewegen des ersten oder zweiten Kalibrierelements werden, solange noch nicht vorliegend, die beiden Konturen von Drehzentrierteil und Drehgegenstück zueinander in Flucht gebracht,
  • - der Zentrierzapfen wird kraftgeregelt in Eintauchrichtung relativ zur Buchse bewegt, bis der Zentrierzapfen seine Endstellung in der Buchse erreicht,
  • - durch kraftgeregeltes Drehen des ersten Kalibrierelements relativ zum zweiten Kalibrierelement wird auf Grundlage der von der Kraftmesseinrichtung erfassten Kontaktpunkte von Drehzentrierteil und Drehgegenstück und/oder der durch Kontakt von Drehzentrierteil und Drehgegenstück auftretenden Kräfte die exakte Winkelposition des Zentrierzapfens ermittelt.
Advantageously, the control device is designed to control the following process steps:
  • - by moving the first or second calibration element, the two contours of the rotary centering part and the rotary counterpart are aligned with each other, as long as they are not yet present,
  • - the centering pin is moved in a force-controlled manner in the immersion direction relative to the bushing until the centering pin reaches its end position in the bushing,
  • - by force-controlled rotation of the first calibration element relative to the second calibration element, the exact angular position of the centering pin is determined on the basis of the contact points of the rotary centering part and the rotary counterpart detected by the force measuring device and/or the forces occurring due to contact between the rotary centering part and the rotary counterpart.

Die beiden letztgenannten, durch Spiegelstriche aufgelisteten Verfahrensschritte können, je nach konkreter Ausgestaltung des Systems, auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.The last two procedural steps, listed by bullet points, can also be carried out in reverse order, depending on the specific design of the system.

Vorzugsweise wird durch Vergleich mit einem hinterlegten Datensatz überprüft, ob das Drehzentrierteil tatsächlich an dem Drehgegenstück anschlägt und/oder ob eine Fehlfahrt des ersten Kalibrierelements relativ zum zweiten Kalibrierelement vorliegt.Preferably, by comparison with a stored data set, it is checked whether the rotary centering part actually strikes the rotary counterpart and/or whether there is a faulty movement of the first calibration element relative to the second calibration element.

Die Kontrolleinrichtung ist besonders bevorzugt derart ausgebildet, dass sie anhand der Erfassung der besagten Kontaktpunkte und/oder auftretenden Kräfte ein Koordinatensystem anlegt oder aktualisiert oder Korrekturwerte für ein Koordinatensystem generiert. Beispielsweise wird mindestens ein zuvor abgespeichertes Koordinatensystem, in dem der Roboter seine Bewegungen ausführt, auf Grundlage der Messergebnisse verschoben, um auf der Basis des derart neu eingestellten bzw. korrigierten Koordinatensystems den Roboterarm mit dem von ihm aufgenommenen Werkzeug (oder Werkstück) präzise und wiederholt zu einer Bearbeitungsposition zu verfahren. Dieses mindestens eine Koordinatensystem wird beispielsweise in regelmäßigen Abständen korrigiert, indem die beiden Kalibrierelemente mittels der Kontrolleinrichtung derart zueinander bewegt werden, dass der Zentrierzapfen in die Buchse einfährt (oder umgekehrt) und das Drehzentrierteil gegenüber dem Drehgegenstück gedreht wird.The control device is particularly preferably designed in such a way that it creates or updates a coordinate system or generates correction values for a coordinate system based on the detection of the said contact points and/or occurring forces. For example, at least one previously saved coordinate system in which the robot carries out its movements is shifted on the basis of the measurement results in order to move the robot arm with the tool (or workpiece) it has picked up precisely and repeatedly to a processing position on the basis of the coordinate system newly set or corrected in this way. This at least one coordinate system is corrected at regular intervals, for example, by moving the two calibration elements towards each other using the control device in such a way that the centering pin moves into the bushing (or vice versa) and the rotary centering part is rotated relative to the rotary counterpart.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein RFID-Chip im Bereich von oder an dem ersten oder zweiten Kalibrierelement und zumindest eine RFID-Leseeinrichtung, vorzugsweise aber ebenfalls mit RFID-Sendefunktion, im Bereich von oder an dem zweiten oder ersten Kalibrierelement vorgesehen. Einerseits kann hierdurch eine Kontrolle vorgenommen werden, dass tatsächlich Original-Kalibrierelemente Verwendung finden, andererseits können durch die RFID-Technologie diverse Informationen an den Roboter übertragen werden, wenn dieser zumindest eine RFID-Leseeinrichtung aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn Informationen von der RFID-Einrichtung im Bereich des stationär angeordneten Kalibrierelements auf die RFID-Einrichtung des mobil angeordneten Kalibrierelements übertragen werden. Beispielsweise können Daten oder vollständige Programme auf diese Weise an den Roboter, insbesondere wenn dieser mobil ausgebildet ist, übermittelt werden, wobei das Programm beispielsweise Arbeitsanweisungen für vom Roboter an der Arbeitsstation auszuführende Tätigkeiten beinhaltet. Nach Laden des Programms im Roboter kann eine Kommunikation über beispielsweise WLAN mit einem Leitsystem erfolgen, welches nach positiver Bestätigung des geladenen Programms den Start des Programmablaufs initiiert. Weiterhin kann mittels RFID-Technologie die individuelle Identifikationsnummer der jeweiligen Arbeitsstation auf den mobilen Roboter übertragen werden, damit dieser weiß, an welcher Station er ist und welches Programm er aufrufen muss. Auch könnte an einer oder mehreren Arbeitsstationen ein Protokoll über beispielsweise die Dauer der Arbeit an dieser Arbeitsstation, die bearbeitete Stückzahl, eine Fehlerliste oder Ähnliches in das Protokoll geschrieben werden und dann an die RFID-Leseeinrichtung des Roboters übertragen werden. Wenn diese zudem eine Sendefunktion aufweist, kann dieses Protokoll beispielsweise an den RFID-Chip übertragen werden, der im Bereich von oder an dem stationären Kalibrierelement vorgesehen ist.In an advantageous development of the invention, an RFID chip is provided in the area of or on the first or second calibration element and at least one RFID reading device, preferably also with an RFID transmission function, is provided in the area of or on the second or first calibration element. On the one hand, this can be used to check that original calibration elements are actually being used, and on the other hand, various information can be transmitted to the robot using RFID technology if the robot has at least one RFID reading device. In particular, it is advantageous if information is transmitted from the RFID device in the area of the stationary calibration element to the RFID device of the mobile calibration element. For example, data or complete programs can be transmitted to the robot in this way, particularly if the robot is mobile, the program containing, for example, work instructions for activities to be carried out by the robot at the workstation. After loading the program in the robot, communication can take place via WLAN, for example, with a control system, which initiates the start of the program sequence after positive confirmation of the loaded program. Furthermore, RFID technology can be used to transfer the individual identification number of the respective workstation to the mobile robot so that it knows which station it is at and which program it needs to call up. A protocol about, for example, the duration of work at this workstation, the number of pieces processed, an error list or similar could also be written into the protocol at one or more workstations and then transferred to the robot's RFID reader. If this also has a transmission function, this protocol can be transferred, for example, to the RFID chip that is provided in the area of or on the stationary calibration element.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist ein Kamerasystem zum unterstützenden Hinführen des ersten oder zweiten, verfahrbaren Kalibierelements zum zweiten oder ersten, stationären Kalibrierelement vorgesehen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das verfahrbare Kalibrierelement bei einer Rückfahrt zur Kalibrierstation den ursprünglichen Kalibrierpunkt, der durch das stationäre Kalibrierelement festgelegt ist, nicht mehr findet, was verschiedene Ursachen haben kann. In diesem Fall kann das Kamerasystem zusammen mit der die Kamerabilder auswertenden Kontrolleinrichtung helfen, das an die Kalibrierstation heranzuführende Kalibrierelement zum stationären Kalibrierelement hin zu bewegen, bis die Zwangsführung durch die Kombination Zentrierzapfen-Buchse die beiden Kalibrierelemente zueinander ausrichtet und dann der korrigierte Kalibrierpunkt ermittelt werden kann.According to a further development, a camera system is provided to assist in guiding the first or second, movable calibration element to the second or first, stationary calibration element. This is particularly advantageous if the movable calibration element can no longer find the original calibration point, which is determined by the stationary calibration element, on a return journey to the calibration station, which can have various causes. In this case, the camera system, together with the control device evaluating the camera images, can help fen, the calibration element to be brought to the calibration station is to be moved towards the stationary calibration element until the positive guide by the centering pin-socket combination aligns the two calibration elements with each other and then the corrected calibration point can be determined.

Der Roboter kann insbesondere als verfahrbarer bzw. mobiler Roboter ausgebildet sein. Gerade bei solcher Art Roboter ist die wiederholgenaue hochpräzise Anfahrt einer Arbeitsstation durch den Roboter bisher nicht zufriedenstellend gelöst, da die Fahrbewegungen und die Fahrdistanzen zu relativ hohen Abweichungen der Anfahrgenauigkeit und Bearbeitungsgenauigkeit führen. Ein verfahrbarer bzw. mobiler Roboter, ausgerüstet mit dem ersten Kalibrierelement, vermisst in diesem Fall die Koordinaten der stationären, das zweite Kalibrierelement aufweisenden Kalibrierstation.The robot can be designed in particular as a movable or mobile robot. Especially with this type of robot, the repeatable, high-precision approach to a work station by the robot has not yet been satisfactorily solved, since the travel movements and the travel distances lead to relatively high deviations in the approach accuracy and processing accuracy. In this case, a movable or mobile robot equipped with the first calibration element measures the coordinates of the stationary calibration station with the second calibration element.

Ein verfahrbarer Roboter kann beispielsweise auf einem fahrerlosen Transportsystem (FTS) montiert sein, wobei das Kalibrierelement am Roboter per Hand oder mittels eines automatischen Werkzeugwechselsystems gegen ein Arbeitswerkzeug getauscht werden kann. Das Arbeitswerkzeug, beispielsweise ein Finger-Greifer, befindet sich hierbei beispielsweise in der Werkzeughalterung an der stationären Arbeitsstation. Das Kalibrierelement mit dem Zentrierzapfen kann beispielsweise in der Werkzeughalterung am FTS mitgeführt werden. Nach der Kalibrierung wird das Kalibrierelement mit dem Zentrierzapfen in eine entsprechende Halterung am FTS abgelegt und der Finger-Greifer an einer Halterung an der Arbeitsstation aufgenommen. Ist die Arbeit beendet, wird der Finger-Greifer dort wieder abgelegt.A mobile robot can, for example, be mounted on a driverless transport system (DTS), whereby the calibration element on the robot can be exchanged for a work tool by hand or using an automatic tool changing system. The work tool, for example a finger gripper, is located in the tool holder on the stationary work station. The calibration element with the centering pin can, for example, be carried in the tool holder on the DTS. After calibration, the calibration element with the centering pin is placed in a corresponding holder on the DTS and the finger gripper is picked up on a holder on the work station. Once the work is finished, the finger gripper is placed there again.

Gemäß einer Alternative ist ein verfahrbarer Roboter auf einem Gestell ohne einen eigenen Antrieb platziert, wobei das Gestell dann händisch an die Kalibrierstation verschoben werden kann.According to an alternative, a movable robot is placed on a frame without its own drive, whereby the frame can then be moved manually to the calibration station.

Alternativ kann der Roboter stationär aufgestellt sein. Insbesondere kann der Roboter mit seinem am Roboterarm gehaltenen ersten Kalibrierelement mit einem auf einem fahrerlosen Transportsystem (FTS) zweiten Kalibrierelement wechselwirken, um eine Kalibrierung der Arbeitsposition des Roboters zum präzisen Anfahren und Bearbeiten von Werkstücken auf dem FTS vorzunehmen. Ein stationärer Roboter, ausgerüstet mit dem ersten Kalibrierelement, vermisst in diesem Fall die Koordinaten des das zweite Kalibrierelement aufweisenden FTS, welches nun die Kalibrierstation darstellt.Alternatively, the robot can be set up stationary. In particular, the robot can interact with its first calibration element held on the robot arm with a second calibration element on an automated guided vehicle (AGV) in order to calibrate the robot's working position for the precise approach and processing of workpieces on the AGV. In this case, a stationary robot equipped with the first calibration element measures the coordinates of the AGV with the second calibration element, which now represents the calibration station.

Auch umfasst die Erfindung ein Verfahren gemäß dem entsprechenden unabhängigen Verfahrensanspruch. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise durch das beschriebene Kalibrierwerkzeug und das beschriebene Kalibriersystem durchgeführt, was aber nicht zwangsläufig der Fall sein muss.The invention also includes a method according to the corresponding independent method claim. The method according to the invention is preferably carried out by the described calibration tool and the described calibration system, but this does not necessarily have to be the case.

Nachfolgend wird ein Beispiel für das Kalibrierungsverfahren erläutert. An einer stationären Kalibrierstation, die sich vorzugsweise an oder in der Nähe einer Arbeitsstation befindet, ist ein erstes oder zweites Kalibrierelement angeordnet, beispielsweise die oben beschriebene Buchse, und an dem zweiten oder ersten Kalibrierelement der Zentrierzapfen. Die Position der Buchse wird vorzugsweise vor einer Kalibrierung angelernt, so dass die Kontrolleinrichtung deren Koordinaten kennt. Zudem wird dem Zentrierzapfen vorzugsweise eine Vorposition mit kleinem Abstand zur Buchse zugewiesen. Wenn der Befehl kommt, die Position der Buchse zu suchen, beginnt die Kalibrierfahrt und der Zentrierzapfen taucht in die Buchse ein. Nach deren Abschluss, ggf. nach Wechsel seines Kalibrierelements gegen ein Arbeitswerkzeug mittels eines automatischen Werkzeugwechselsystems, führt der Roboter das Arbeitsprogramm an der Arbeitsstation durch. Kommt der Roboter, ggf. nach Wechsel seines Arbeitswerkzeugs gegen das Kalibrierelement mittels des automatischen Werkzeugwechselsystems, wieder an die Kalibrierstation, so kann er - beispielsweise mit einer maximalen Toleranz von 40 mm in der Vorposition stehend - mit einer Suchfahrt die Buchse wiederfinden und die Kalibrierungsfahrt wiederholen. Nach dessen Abschluss wird vorzugsweise ein neues temporäres Koordinatensystem erstellt bzw. das bestehende korrigiert. Dies macht es möglich, einen Roboter von einer Stelle an eine andere zu verlagern und neue Aufgaben ausführen zu lassen, nachdem die Kalibrierungsfahrt ausgeführt wurde.An example of the calibration process is explained below. A first or second calibration element, for example the bushing described above, is arranged on a stationary calibration station, which is preferably located on or near a work station, and the centering pin is arranged on the second or first calibration element. The position of the bushing is preferably taught before calibration so that the control device knows its coordinates. In addition, the centering pin is preferably assigned a pre-position with a small distance to the bushing. When the command comes to search for the position of the bushing, the calibration run begins and the centering pin dips into the bushing. After this has been completed, if necessary after exchanging its calibration element for a work tool using an automatic tool changing system, the robot carries out the work program at the work station. If the robot returns to the calibration station, if necessary after exchanging its work tool for the calibration element using the automatic tool changing system, it can - for example, standing in the pre-position with a maximum tolerance of 40 mm - find the bushing again with a search run and repeat the calibration run. After its completion, a new temporary coordinate system is preferably created or the existing one corrected. This makes it possible to move a robot from one location to another and have it perform new tasks after the calibration run has been performed.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Kalibriersystem mit einem verfahrbaren Roboter;
  • 2 ein Kalibriersystem mit einem stationären Roboter;
  • 3 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines ersten Kalibrierelements;
  • 4 eine perspektivische Unteransicht des ersten Kalibrierelements der 3;
  • 5 eine Unteransicht des ersten Kalibrierelements der 3 und 4;
  • 6 eine geschnittene Seitenansicht (entlang A-A der 8) eines ersten Ausführungsbeispiels eines zweiten Kalibrierelements;
  • 7 eine perspektivische Draufsicht auf das zweite Kalibrierelement der 6;
  • 8 eine Draufsicht des zweiten Kalibrierelements der 6 und 7;
  • 9 eine teils geschnittene Seitenansicht eines nicht-lotrechten Eintauchens der ersten in das zweite Kalibrierelement;
  • 10 eine teils geschnittene Seitenansicht eines lotrechten Eintauchens der ersten in das zweite Kalibrierelement;
  • 11 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines ersten Kalibrierelements;
  • 12 eine Draufsicht auf das erste Kalibrierelement der 11;
  • 13 eine perspektivische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiels eines zweiten Kalibrierelements;
  • 14 eine Draufsicht auf das zweite Kalibrierelement der 13;
  • 15a-d eine schematische Darstellung der Kalibrierung durch Korrigieren eines Koordinatensystems, und
  • 16 eine schematische Darstellung der Kalibrierung durch Korrigieren von mehreren Koordinatensystemen.
The invention is explained below with reference to drawings. They show:
  • 1 a calibration system with a movable robot;
  • 2 a calibration system with a stationary robot;
  • 3 a side view of a first embodiment of a first calibration element;
  • 4 a perspective bottom view of the first calibration element of the 3 ;
  • 5 a bottom view of the first calibration element of the 3 and 4 ;
  • 6 a sectioned side view (along AA of the 8 ) of a first embodiment of a second calibration element;
  • 7 a perspective top view of the second calibration element of the 6 ;
  • 8 a top view of the second calibration element of the 6 and 7 ;
  • 9 a partially sectioned side view of a non-vertical immersion of the first into the second calibration element;
  • 10 a partially sectioned side view of a vertical immersion of the first into the second calibration element;
  • 11 a side view of a second embodiment of a first calibration element;
  • 12 a top view of the first calibration element of the 11 ;
  • 13 a perspective top view of a second embodiment of a second calibration element;
  • 14 a top view of the second calibration element of the 13 ;
  • 15a -d a schematic representation of the calibration by correcting a coordinate system, and
  • 16 a schematic representation of calibration by correcting multiple coordinate systems.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kalibriersystem 50 mit einem verfahrbaren Roboter und in 2 ein erfindungsgemäßes Kalibriersystems 50 mit einem stationären Roboter dargestellt.In 1 is a calibration system 50 according to the invention with a movable robot and in 2 an inventive calibration system 50 with a stationary robot is shown.

Gemäß der 1 ist ein verfahrbarer Roboter 60 auf einem Fahrgestell 62 angeordnet, das selbstfahrend als fahrerloses Transportsystem (FTS) ausgebildet ist und insbesondere auch einen eigenen Antrieb (nicht dargestellt) aufweist. Der Roboter 60 ist beispielsweise ein 6-Achs-Roboter mit einem Roboterarm 64, an dessen freiem Ende eine Halterung 66 für ein erstes Kalibrierelement vorgesehen ist. Gemäß der 1 ist das erste Kalibrierelement 10 lösbar an der Halterung 66 befestigt ist und vorzugsweise automatisch gegen ein Bearbeitungswerkzeug austauschbar. Hierbei ist die Halterung 66 vorzugsweise auch für die Aufnahme zumindest eines Bearbeitungswerkzeugs ausgebildet. Ein entsprechender Austausch von erstem Kalibrierelement und Bearbeitungswerkzeug erfolgt zweckmäßigerweise bei definierter räumlicher Relation, d.h. es ist eindeutig definiert, bei welchen Raumkoordinaten das Bearbeitungswerkzeug nach Ablage des ersten Kalibrierelements 10 von der Halterung 66 am Roboterarm 64 aufgenommen wird, damit die Kalibrierung auf das Bearbeitungswerkzeug übertragen werden kann. Gleiches gilt dann selbstverständlich auch beim Austausch des Bearbeitungswerkzeugs gegen das erste Kalibrierelement 10, wenn eine erneute Kalibrierung durchgeführt werden soll.According to the 1 A movable robot 60 is arranged on a chassis 62, which is designed to be self-propelled as a driverless transport system (FTS) and in particular also has its own drive (not shown). The robot 60 is, for example, a 6-axis robot with a robot arm 64, at the free end of which a holder 66 for a first calibration element is provided. According to the 1 the first calibration element 10 is detachably attached to the holder 66 and can preferably be automatically exchanged for a processing tool. The holder 66 is preferably also designed to accommodate at least one processing tool. A corresponding exchange of the first calibration element and processing tool is expediently carried out with a defined spatial relationship, ie it is clearly defined at which spatial coordinates the processing tool is picked up by the holder 66 on the robot arm 64 after the first calibration element 10 has been deposited so that the calibration can be transferred to the processing tool. The same naturally also applies when exchanging the processing tool for the first calibration element 10 if a new calibration is to be carried out.

Auf einem stationär aufgestellten Unterbau 7 ist ein zweites Kalibrierelement 30 angeordnet, das zusammen mit dem ersten Kalibrierelement 10 an dem Roboterarm 64 ein Kalibrierwerkzeug 1 bildet, wie nachfolgend näher erläutert wird. Das zweite Kalibrierelement 30 ist stationär aufgestellt und seine Position wird für die Kalibrierung nicht verändert.A second calibration element 30 is arranged on a stationary base 7, which together with the first calibration element 10 on the robot arm 64 forms a calibration tool 1, as will be explained in more detail below. The second calibration element 30 is stationary and its position is not changed for calibration.

Der Roboter 60 weist, als Beispiel für eine Kraftmesseinrichtung, eine Sensoreinrichtung 70 mit mehreren Kraft- und/oder Momenten-Sensoren 72 auf, vorzugsweise mehrachsigen Kraft-Momenten-Sensoren 72, die in zumindest einigen Achsen des Roboterarms 64 integriert sind und die Kräfte und/oder Momente messen, die durch Kontaktieren des ersten Kalibrierelements 10 mit umgebenden Gegenständen und hier insbesondere mit dem zweiten Kalibrierelement 30 entstehen. Die Messwerte werden einer programmgesteuerten Kontrolleinrichtung 80 zur Verfügung gestellt (s. gestrichelte Linien von den Sensoren zur Kontrolleinrichtung 80), die in dem Roboter 60 integriert ist (wie in 1 schematisch gezeigt) oder extern angeordnet sein kann (wie in 2 schematisch gezeigt). Insbesondere steuert die Kontrolleinrichtung 80 auf Grundlage der Messwerte den Roboterarm 64 derart, dass das erste Kalibrierelement 10 zum zweiten Kalibrierelement 30 ausgerichtet und positioniert wird, um die genaue Position und Richtung im Raum des ersten Kalibrierelements 10 anhand des exakt im Raum positionierten zweiten Kalibrierelements 30 zu ermitteln.The robot 60 has, as an example of a force measuring device, a sensor device 70 with several force and/or moment sensors 72, preferably multi-axis force-moment sensors 72, which are integrated in at least some axes of the robot arm 64 and measure the forces and/or moments that arise when the first calibration element 10 comes into contact with surrounding objects and here in particular with the second calibration element 30. The measured values are made available to a program-controlled control device 80 (see dashed lines from the sensors to the control device 80), which is integrated in the robot 60 (as in 1 shown schematically) or can be arranged externally (as in 2 shown schematically). In particular, the control device 80 controls the robot arm 64 on the basis of the measured values in such a way that the first calibration element 10 is aligned and positioned with respect to the second calibration element 30 in order to determine the exact position and direction in space of the first calibration element 10 based on the second calibration element 30 which is precisely positioned in space.

Gemäß der 2 ist der Roboter 60 mit dem ersten Kalibrierelement 10 auf einem feststehenden Unterbau 7 angeordnet, während das zweite Kalibrierelement 30 auf einem fahrerlosen Transportsystem 90 (FTS) vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind auf dem FTS 90 beispielsweise Werkstücke 92 in einem Bestückungsbehältnis 94, vorzugsweise geordnet, abgelegt, die von einem Werkzeug, das nach Austausch gegen das erste Kalibrierelement 10, die Werkstücke 92 bearbeitet, aufnimmt und an anderer Stelle wieder ablegt, usw.According to the 2 the robot 60 with the first calibration element 10 is arranged on a fixed substructure 7, while the second calibration element 30 is provided on a driverless transport system 90 (FTS). In this embodiment, workpieces 92 are stored on the FTS 90 in a loading container 94, preferably in an orderly manner, which are processed by a tool which, after exchanging the first calibration element 10, processes the workpieces 92, picks them up and places them again at another location, etc.

Im Folgenden wird erläutert, wie ein Kalibrierwerkzeug 1 mit erstem und zweitem Kalibrierelement 10, 30 sowie ein Kalibriersystem 50 mit einem solchen Kalibrierwerkzeug 1 für die Kalibrierung eines Roboters 60 ausgebaut ist und verwendet wird.In the following, it is explained how a calibration tool 1 with first and second calibration elements 10, 30 as well as a calibration system 50 with such a calibration tool 1 are developed and used for the calibration of a robot 60.

Die 3-10 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiels eines ersten Kalibrierelements 10 mit einem dazu korrespondierenden zweiten Kalibrierelement 30.The 3-10 show a first embodiment of a first calibration element 10 with a corresponding second calibration element 30.

In den 3 bis 5 ist ein erstes Kalibrierelement 10 eines erfindungsgemäßen Kalibrierwerkzeugs 1 in drei verschiedenen Ansichten dargestellt. Die 3 zeigt ein Kalibrierelement 10 in Seitenansicht, die 4 in perspektivischer Ansicht von unten und die 5 in Unteransicht. Das erste Kalibrierelement 10 umfasst einen Zentrierzapfen 12, der an der Unterseite einer Basisplatte 11 angeordnet ist und vorliegend als zweifach gestufter Doppelkonus ausgebildet ist. Der Doppelkonus weist dementsprechend gestuft zueinander verlaufende Oberflächen 13a-13d auf. Der Zentrierzapfen 12 ist an seiner Spitze 14 abgerundet ausgebildet. An seiner Außenkontur sind um den Umfang verteilt vier Bohrungen 15 vorgesehen, durch die Befestigungsmittel (z.B. Schrauben) zum Befestigen des ersten Kalibrierelements 10 an einem Roboterarm 64 (s. 1 und 2) hindurchgeführt werden können.In the 3 to 5 a first calibration element 10 of a calibration tool 1 according to the invention is shown in three different views. The 3 shows a calibration element 10 in side view view that 4 in perspective view from below and the 5 in bottom view. The first calibration element 10 comprises a centering pin 12, which is arranged on the underside of a base plate 11 and is designed as a double-stepped double cone. The double cone has surfaces 13a-13d that are stepped relative to one another. The centering pin 12 is rounded at its tip 14. Four holes 15 are provided on its outer contour, distributed around the circumference, through which fastening means (e.g. screws) for fastening the first calibration element 10 to a robot arm 64 (see. 1 and 2 ) can be passed through.

Außerdem weist das erste Kalibrierelement 10 an der Unterseite der Basisplatte 11 und seitlich versetzt zum Zentrierzapfen 12 ein Drehgegenstück 22 auf, das vorliegend als gekrümmt verlaufendes Langloch 23 ausgebildet ist, welches sich über einen Winkelbereich von ca. 30° erstreckt. Das Langloch 23 ist vorzugsweise als Sackloch ausgebildet, kann aber auch als offenes Loch in der Basisplatte 11 vorliegen.In addition, the first calibration element 10 has a rotary counterpart 22 on the underside of the base plate 11 and laterally offset from the centering pin 12, which in this case is designed as a curved elongated hole 23 that extends over an angular range of approximately 30°. The elongated hole 23 is preferably designed as a blind hole, but can also be an open hole in the base plate 11.

Ein zweites Kalibrierelement 30 ist in den 6 bis 8 gezeigt, wobei 6 eine Schnittansicht entlang A-A der 8, die 7 eine perspektivische Draufsicht und die 8 eine Draufsicht zeigt. Das zweite Kalibrierelement 30 kann zur stationären Anbringung in einer Kalibrierstation 5 (s. 1) vorgesehen sein, so dass eine feste Anfahrstation für den dann verfahrbaren Roboter 60, der das erste Kalibrierelement 10 trägt, vorliegt. Das zweite Kalibrierelement 30 weist einen Grundkörper 34 auf, in dem eine komplementär zum Zentrierzapfen 12 ausgebildete Buchse 32 angeordnet ist. Dementsprechend ist die Buchse 32 als hohler Doppelkonus mit einer zweifachen Stufung ausgebildet. Nach unten hin weist die Buchse 32 eine Öffnung 36 auf, aus der sich ansonsten in der Buchse 32 ansammelnder Schmutz fallen kann.A second calibration element 30 is in the 6 to 8 shown, where 6 a sectional view along AA of the 8 , the 7 a perspective view and the 8 shows a top view. The second calibration element 30 can be used for stationary mounting in a calibration station 5 (see 1 ) so that a fixed starting station is provided for the then movable robot 60, which carries the first calibration element 10. The second calibration element 30 has a base body 34 in which a bushing 32 is arranged that is complementary to the centering pin 12. Accordingly, the bushing 32 is designed as a hollow double cone with a double step. The bushing 32 has an opening 36 at the bottom, from which dirt that would otherwise collect in the bushing 32 can fall.

An der Oberseite des Grundkörpers 34 seitlich zur Buchse 32 versetzt angeordnet, ist ein Drehzentrierteil 42 mit einem Passstift 43 vorgesehen, der vorliegend in eine entsprechende Sackbohrung des Grundkörpers 34 eingeführt ist. Der Passstift 43 ist dazu ausgelegt, in das Langloch 23 des ersten Kalibrierelements 10 einzutauchen und sich durch Drehung um die Längsachse des Zentrierzapfens 12 entlang der gekrümmten Kontur des Langlochs 23 zu bewegen, wie noch nachfolgend genauer erläutert wird.A rotary centering part 42 with a dowel pin 43 is provided on the top of the base body 34, laterally offset from the bushing 32, which in this case is inserted into a corresponding blind hole in the base body 34. The dowel pin 43 is designed to penetrate into the elongated hole 23 of the first calibration element 10 and to move along the curved contour of the elongated hole 23 by rotating about the longitudinal axis of the centering pin 12, as will be explained in more detail below.

Am Umfang des Grundkörpers 34 ist eine umlaufende Auskragung 35 vorgesehen, in der vorzugsweise mehrere Bohrlöcher (nicht dargestellt) angeordnet sind, um das zweite Kalibrierelement 30 an einem Tisch oder Ähnlichem, insbesondere einem Unterbau 7 (s. 1) mittels beispielsweise Schrauben zu befestigen. Andere Befestigungsmöglichkeiten sind ebenfalls möglich.On the circumference of the base body 34, a circumferential projection 35 is provided, in which preferably several boreholes (not shown) are arranged in order to fix the second calibration element 30 to a table or the like, in particular a substructure 7 (see 1 ) using screws, for example. Other fastening options are also possible.

Vorzugsweise sind sowohl das erste als auch das zweite Kalibrierelement einstückig und hierbei vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt, wobei der Passstift 43 des Drehzentrierteils 42 allerdings als separates Bauteil ausgeführt sein kann (s.o.), das aber ebenfalls vorzugsweise aus Edelstahl besteht. Der Einsatz von anderen Materialien ist ebenfalls ohne weiteres möglich, beispielsweise Aluminium oder Teflon.Preferably, both the first and the second calibration element are made in one piece and preferably from stainless steel, although the dowel pin 43 of the rotary centering part 42 can be designed as a separate component (see above), which is also preferably made from stainless steel. The use of other materials is also possible without any problem, for example aluminum or Teflon.

Die 8 zeigt den Beginn eines Eintauchprozesses des ersten Kalibrierelements 10 in das zweite Kalibrierelement 30. Es ist zu erkennen, dass die Längsachse L des Zentrierzapfens 12 in einem Winkel von vorliegend ca. 15° zur hier lotrechten Eintauchrichtung f1 verläuft. Bei dieser Lage ist es zwangsläufig, dass das erste Kalibrierelement 10 an dem zweiten Kalibrierelement 30 anstößt, vorliegend an einem mit K bezeichneten Kontaktpunkt und ggf. zumindest eine kurze Strecke an diesem entlanggleitet. Die Sensoren 72 in den Achsen des Roboterarms 64 registrieren die durch die Berührung auftretende Kraft und steuern entsprechend das weitere Eintauchen des ersten Kalibrierelements 10 in das zweite Kalibrierelement 30, wobei auch die weiteren Berührungen zwischen den beiden Kalibrierelementen 10, 30 entsprechend erfasst und zur Steuerung des ersten Kalibrierelements 10 verwendet werden.The 8 shows the beginning of an immersion process of the first calibration element 10 into the second calibration element 30. It can be seen that the longitudinal axis L of the centering pin 12 runs at an angle of approximately 15° to the immersion direction f1, which is perpendicular here. In this position, it is inevitable that the first calibration element 10 abuts the second calibration element 30, in this case at a contact point designated K, and possibly slides along it for at least a short distance. The sensors 72 in the axes of the robot arm 64 register the force resulting from the contact and accordingly control the further immersion of the first calibration element 10 into the second calibration element 30, with the further contacts between the two calibration elements 10, 30 also being correspondingly detected and used to control the first calibration element 10.

Die 9 zeigt, wie das erste Kalibrierelement 10 lotrecht in das zweite Kalibrierelement 30 in Eintauchrichtung f1 eintaucht, nachdem es beispielsweise wie in der 8 dargestellt aus einer schrägen Position in diese lotrechte Position gefahren wurde. Es ist dargestellt, wie der Passstift 43 über dem Langloch 23 positioniert ist und bei dem Eintauchen des ersten Kalibrierelements 10 in das Langloch 23 eingreift. Befindet sich das Langloch 23 nicht oberhalb des Passstiftes 43, wird das erste Kalibrierelement 10 um die Eintauchrichtung f1, hier gleichbedeutend mit der Rotationachse L des Zentrierzapfens 12 sowie der z-Achse im Raum, um die Drehrichtung f2 (s. Doppelpfeil) gedreht. Hierbei berührt das Drehzentrierteil 42 bzw. der Passstift 43 eine erste Kontaktfläche 22a des Drehgegenstücks 22 (s. auch 4 und 5) und gleitet an dieser ersten Kontaktfläche 22a beim Drehen des ersten Kalibrierelements 10 entlang und zwar so lange, bis das Drehzentrierteil 42 bzw. der Passstift 43 unterhalb des Drehgegenstücks 22 bzw. des Langlochs 23 steht. Dann kann das erste Kalibrierelement 10 so abgesenkt werden, dass der Zentrierzapfen 12 seine Endstellung in der Buchse 32 einnehmen kann, wobei gleichzeitig der Passstift 43 seitlich von dem Langloch 23 umhüllt wird. In dieser Endstellung hat der Zentrierzapfen 12 seine zwangsgeführte Endstellung erreicht, in der sich seine Spitze 14 in einer definierten Lage in Bezug auf die Raumkoordinaten x, y und z befindet. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass das Drehzentrierteil 42 im eingefahrenen Zustand tatsächlich bei Drehung des ersten Kalibrierelements 10 mit dem Drehgegenstück 22 zusammenwirken kann, auch wenn es zunächst nur auf die erste Kontaktfläche 22a des Drehgegenstücks 22 aufgetroffen, danach aber in den eingeführten Zustand geleitet wird.The 9 shows how the first calibration element 10 dips vertically into the second calibration element 30 in the immersion direction f1, after it has been inserted, for example, as in the 8 shown from an inclined position into this vertical position. It is shown how the dowel pin 43 is positioned above the slot 23 and engages when the first calibration element 10 is inserted into the slot 23. If the slot 23 is not above the dowel pin 43, the first calibration element 10 is rotated about the insertion direction f1, here synonymous with the rotation axis L of the centering pin 12 and the z-axis in space, about the rotation direction f2 (see double arrow). In this case, the rotary centering part 42 or the dowel pin 43 touches a first contact surface 22a of the rotary counterpart 22 (see also 4 and 5 ) and slides along this first contact surface 22a when the first calibration element 10 is rotated, until the rotary centering part 42 or the dowel pin 43 is located below the rotary counterpart 22 or the slot 23. The first calibration element 10 can then be lowered so that the centering pin 12 can assume its final position in the bushing 32, with the dowel pin 43 simultaneously being laterally enclosed by the slot 23. In this final position the centering pin 12 has reached its positively guided end position, in which its tip 14 is in a defined position in relation to the spatial coordinates x, y and z. This design ensures that the rotary centering part 42 in the retracted state can actually interact with the rotary counterpart 22 when the first calibration element 10 rotates, even if it initially only hits the first contact surface 22a of the rotary counterpart 22, but is then guided into the inserted state.

Anschließend wird das erste Kalibrierelement 10 um die Rotations- bzw. Längsachse L des Zentrierzapfens 12 gedreht (s. Doppelpfeil f2), so dass der Passstift 43 zuerst an dem einen Ende 23b oder 23c des Langlochs 23 und dann an dem anderen Ende 23c oder 23b des Langlochs 23 zur Anlage kommt. Diese Kontakte und/oder die bei diesen Kontakten auftretenden Kräfte werden mit der Sensoreinrichtung 70 gemessen und an die Kontrolleinrichtung 80 weitergegeben. Die Kontrolleinrichtung 80 ermittelt aus den Messergebnissen, auf Grundlage der aufeinander abgestimmten Geometrien von Zentrierzapfen 12 und Buchse 32 sowie der Winkelpositionen des Langlochs 23 in Relation zum Passstift 43, einen Kalibrierpunkt. Dieser Kalibrierpunkt ist gegebenenfalls von dem während einer vorherigen Kalibrierung ermittelten Kalibrierpunkt verschieden. Hier wird dann der neu ermittelte Kalibrierpunkt ermittelt, vorzugsweise durch Verschiebung oder eine sonstige Korrektur des Koordinatensystems.The first calibration element 10 is then rotated about the rotational or longitudinal axis L of the centering pin 12 (see double arrow f2), so that the dowel pin 43 first comes into contact with one end 23b or 23c of the elongated hole 23 and then with the other end 23c or 23b of the elongated hole 23. These contacts and/or the forces occurring during these contacts are measured with the sensor device 70 and passed on to the control device 80. The control device 80 determines a calibration point from the measurement results, based on the coordinated geometries of the centering pin 12 and bushing 32 and the angular positions of the elongated hole 23 in relation to the dowel pin 43. This calibration point may be different from the calibration point determined during a previous calibration. The newly determined calibration point is then determined here, preferably by shifting or otherwise correcting the coordinate system.

Des Weiteren kann die Kontrolleinrichtung 80 aus den Messergebnissen feststellen, ob eine Fehlfahrt des ersten Kalibrierelements 10 vorliegt.Furthermore, the control device 80 can determine from the measurement results whether a faulty run of the first calibration element 10 has occurred.

Bei einer Weiterbildung kann beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite des Passstifts 43 und ebenfalls von der Auskragung 35 abstehend ein Stützstift angeordnet sein (nicht dargestellt), der in der gleichen Höhe wie der Passstift 43 endet, aber vorzugsweise radial weiter außen (alternativ weiter innen) angeordnet ist als der Passstift 43. Die Basisplatte 11 kommt beim Eintauchen des ersten Kalibrierelements 10 gegen den Stützstift ebenso zur Anlage wie gegen den Passstift 43 wenn das Langloch 23 mit dem Passstift 43 fluchtet. Die Last der Basisplatte 11 verteilt sich dann sowohl auf den Passstift 43 als auch auf den Stützstift, so dass eine zu hohe Belastung des Passstifts 43 verhindert wird. Damit der Stützstift nicht einem Einfahren des Langlochs 23 im Wege steht, wenn das Langloch 23 über dem Passstift 43 steht, ist in der Basisplatte 11 ein weiteres gekrümmtes Langloch vorgesehen (nicht dargestellt), das dem Langloch 23 gegenüber angeordnet ist. Das Langloch für den Stützstift, das ebenfalls in einem größeren (alternativ kleineren) radialen Abstand zur Längsachse der Buchse 32 verläuft als das Langloch 23, erstreckt sich hierbei zweckmäßigerweise über einen größeren Winkelbereich als das Langloch 23. Diese Ausgestaltung gewährleistet, dass der Stützstift tatsächlich nur zur Lastaufnahme dient und nicht die Kalibrierung beeinflusst oder eine Fehlmessung verursacht.In a further development, for example, on the opposite side of the dowel pin 43 and also protruding from the projection 35, a support pin (not shown) can be arranged, which ends at the same height as the dowel pin 43, but is preferably arranged radially further outwards (alternatively further inwards) than the dowel pin 43. The base plate 11 comes into contact with the support pin when the first calibration element 10 is immersed, as well as against the dowel pin 43 when the elongated hole 23 is aligned with the dowel pin 43. The load of the base plate 11 is then distributed both over the dowel pin 43 and over the support pin, so that the dowel pin 43 is prevented from being subjected to too much stress. So that the support pin does not get in the way of the elongated hole 23 being retracted when the elongated hole 23 is above the dowel pin 43, another curved elongated hole (not shown) is provided in the base plate 11, which is arranged opposite the elongated hole 23. The elongated hole for the support pin, which also runs at a larger (alternatively smaller) radial distance from the longitudinal axis of the bushing 32 than the elongated hole 23, expediently extends over a larger angular range than the elongated hole 23. This design ensures that the support pin actually only serves to absorb the load and does not influence the calibration or cause an incorrect measurement.

In den 11-14 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines ersten Kalibrierelements 10 mit einem dazu korrespondierenden zweiten Kalibrierelement 30 dargestellt. Die 11 und 12 zeigen das erste Kalibrierelement 10 in Seitenansicht bzw. Draufsicht, während die 13 und 14 das zweite Kalibrierelement 30 in perspektivischer und frontaler Draufsicht zeigen. Gleiche oder zumindest vergleichbare Elemente dieses zweiten Ausführungsbeispiels sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie beim ersten Ausführungsbeispiel.In the 11-14 A second embodiment of a first calibration element 10 with a corresponding second calibration element 30 is shown. The 11 and 12 show the first calibration element 10 in side view and top view, respectively, while the 13 and 14 show the second calibration element 30 in perspective and frontal plan view. Identical or at least comparable elements of this second embodiment are provided with the same reference numerals as in the first embodiment.

Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Ausführungsbeispielen besteht in der unterschiedlichen Ausgestaltung des Drehzentrierteils 42 und des Drehgegenstücks 22. Gemäß den 13 und 14 umfasst das Drehzentrierteil 42 einen stiftförmigen ersten Vorsprung 46 und einen stiftförmigen zweiten Vorsprung 47, die in der Auskragung 35 vorgesehen und senkrecht von ihr abstehen. Die beiden Vorsprünge 46, 47 sind auf demselben Umfangkreis, also mit gleichem Abstand zur Längsachse der Buchse 32 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel überstreichen sie einen Winkelbereich W von ca. 90°, wobei dieser Winkelbereich in keiner Weise einschränkend zu verstehen ist.The main difference between the two embodiments is the different design of the rotary centering part 42 and the rotary counterpart 22. According to the 13 and 14 the rotary centering part 42 comprises a pin-shaped first projection 46 and a pin-shaped second projection 47, which are provided in the projection 35 and protrude perpendicularly from it. The two projections 46, 47 are arranged on the same circumferential circle, i.e. at the same distance from the longitudinal axis of the bushing 32. In the example shown, they cover an angular range W of approximately 90°, whereby this angular range is in no way to be understood as restrictive.

Randseitig an der Basisplatte 11 des ersten Kalibrierelements 10 ist ein Drehgegenstück 22 vorgesehen, das einen in Radialrichtung abstehenden stiftförmigen Vorsprung 26 aufweist. Dieser kommt nach Eintauchen des Zentrierzapfens 12 in dessen Endstellung an der Auskragung 35 des zweiten Kalibrierelements 30 zur Anlage, wobei diese Berührung durch die Sensoren 72 erfasst wird. Der Zentrierzapfen 12 wird dann solange um seine Längsachse L gedreht, bis der Vorsprung 26 an dem ersten oder zweiten Vorsprung 46, 47 zur Anlage kommt, um anschließend in die Gegenrichtung gedreht zu werden, bis er an dem zweiten oder ersten Vorsprung 47, 46 anschlägt (s. Doppelpfeil f3 in 12). Diese Berührungen werden von den Sensoren 72 aufgrund der Kraftänderung bei Anschlag erfasst, so dass die Kontrolleinrichtung 80 die genaue Winkelposition des ersten Kalibrierelements 10 ermitteln kann.A rotary counterpart 22 is provided on the edge of the base plate 11 of the first calibration element 10, which has a pin-shaped projection 26 protruding in the radial direction. This comes into contact with the projection 35 of the second calibration element 30 after the centering pin 12 has been immersed in its end position, and this contact is detected by the sensors 72. The centering pin 12 is then rotated about its longitudinal axis L until the projection 26 comes into contact with the first or second projection 46, 47, and is then rotated in the opposite direction until it strikes the second or first projection 47, 46 (see double arrow f3 in 12 ). These contacts are detected by the sensors 72 due to the change in force at the stop, so that the control device 80 can determine the exact angular position of the first calibration element 10.

Wenn der Vorsprung 26 in den 270°-Winkelbereich zwischen den beiden Vorsprüngen 46, 47 eintaucht und dort an der Auskragung 35 anliegt, gilt dasselbe, d.h. das erste Kalibrierelement 10 wird erst bis zum Anschlag des Vorsprungs 26 an den einen Vorsprung 46, 47 und dann in Gegenrichtung bis zum Anschlag an den anderen Vorsprung 47, 46 gedreht.If the projection 26 enters the 270° angle range between the two projections 46, 47 and rests against the projection 35 there, the same applies, ie the first calibration element 10 is first pushed against the one projection 46, 47 until the projection 26 stops and then in the opposite direction tion until it stops against the other projection 47, 46.

Sollte der Vorsprung 26 beim Eintauchen des Zentrierzapfens 12 in die Buchse 32 hingegen auf dem ersten oder zweiten Vorsprung 46, 47 zur Anlage kommen, wird diese Berührung von den Sensoren 72 registriert, die daraufhin die Kontrolleinrichtung 80 veranlassen, das erste Kalibrierelement 10 zu drehen, um dann zu versuchen, den Eintauchvorgang fortzusetzen. Gelingt dieses weitere Eintauchen, kommt der Vorsprung 26, in der Endstellung des Zentrierzapfens 12 in der Buchse 32, wie oben ausgeführt zur Anlage auf der Auskragung 35, woraufhin die beiden Vorsprünge 46, 47 durch Drehung angefahren werden. Kann der Zentrierzapfen 12 mit dem Vorsprung 26 hingegen nicht weiter in die Buchse 32 eingefahren werden, was wiederum durch die Sensoren 72 registriert wird, befindet sich der Zentrierzapfen 12 schon in seiner Endstellung in der Buchse 32.If, however, the projection 26 comes to rest on the first or second projection 46, 47 when the centering pin 12 is inserted into the bushing 32, this contact is registered by the sensors 72, which then cause the control device 80 to rotate the first calibration element 10 in order to then attempt to continue the immersion process. If this further immersion is successful, the projection 26, in the end position of the centering pin 12 in the bushing 32, comes to rest on the projection 35 as described above, whereupon the two projections 46, 47 are approached by rotation. If, however, the centering pin 12 cannot be inserted further into the bushing 32 with the projection 26, which is again registered by the sensors 72, the centering pin 12 is already in its end position in the bushing 32.

In 15a-d ist der schematische Ablauf einer Kalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein beispielsweise verfahrbarer Roboter 60 ermittelt an einer Kalibrierstation 5 mittels eines erfindungsgemäßen Kalibrierwerkzeugs 1 einen ursprünglichen Kalibrierpunkt in einem Koordinatensystem, vorteilhafterweise durch mehrmaliges Anfahren, um eine höhere Präzision zu erreichen (15a). Dieser Vorgang ist auch als Teaching bekannt. Dieser ursprüngliche Kalibrierpunkt wird in einer programmgesteuerten Kontrolleinrichtung 80 hinterlegt. Ausgehend von diesem ursprünglichen Kalibrierpunkt werden dem Roboter 60 die Koordinaten eines Arbeitspunkts an einer Bearbeitungsstation des Roboters 60 mitgeteilt, den der verfahrbare Roboter 60 - mit einem entsprechenden Werkzeug bestückt - anfährt, um Bearbeitungsschritte durchzuführen (15b). In regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen oder durch ein Ereignis veranlasst (z.B. unbeabsichtigtes Verschieben des Roboters 60 oder nach einer Kollision oder Ähnlichem) sucht der Roboter 60 die Kalibrierstation 5 wieder auf und ermittelt dort ggf. einen neuen, vom ursprünglichen Kalibrierpunkt abweichenden und somit verschobenen Kalibrierpunkt (15c), und zwar mittels der Zwangsführung von Zentrierzapfen 12 und Busche 32 sowie der Winkelermittlung mit Drehzentrierteil 42 und Drehgegenstück 22. Dieser neue Kalibrierpunkt wird dann zur Berechnung eines neuen Arbeitspunktes verwendet, damit der Roboter 60 anschließend wieder präzise die Bearbeitung an der Bearbeitungsstation fortsetzen kann, zu der er nach der Kalibrierung wieder fährt (15d). Das ursprüngliche Koordinatensystem wird hierbei um die Veränderung von ursprünglichem zum neuen Kalibrierpunkt verschoben. In der 15c ist das ursprüngliche Koordinatensystem in gestrichelten Linien und das verschobene Koordinatensystem mit dem neuen, korrigierten Kalibrierpunkt in durchgezogenen Linien dargestellt. In 15d ist das Koordinatensystem mit dem ursprünglichen Arbeitspunkt in gestrichelten Linien und das entsprechend der Kalibrierung verschobene Koordinatensystem in durchgezogenen Linien dargestellt.In 15a -d shows the schematic sequence of a calibration according to the present invention. A robot 60, which can be moved for example, determines an original calibration point in a coordinate system at a calibration station 5 by means of a calibration tool 1 according to the invention, advantageously by approaching it several times in order to achieve a higher precision ( 15a) . This process is also known as teaching. This original calibration point is stored in a program-controlled control device 80. Based on this original calibration point, the coordinates of a working point at a processing station of the robot 60 are communicated to the robot 60, which the movable robot 60 - equipped with a corresponding tool - moves to in order to carry out processing steps ( 15b) . At regular and/or irregular intervals or when caused by an event (e.g. unintentional displacement of the robot 60 or after a collision or similar), the robot 60 returns to the calibration station 5 and determines there, if necessary, a new calibration point that differs from the original calibration point and is thus displaced ( 15c ), namely by means of the forced guidance of the centering pin 12 and bush 32 as well as the angle determination with the rotary centering part 42 and rotary counterpart 22. This new calibration point is then used to calculate a new working point so that the robot 60 can then continue the processing precisely at the processing station to which it returns after the calibration ( 15d ). The original coordinate system is shifted by the change from the original to the new calibration point. In the 15c the original coordinate system is shown in dashed lines and the shifted coordinate system with the new, corrected calibration point is shown in solid lines. In 15d The coordinate system with the original operating point is shown in dashed lines and the coordinate system shifted according to the calibration is shown in solid lines.

Die Erfindung ermöglicht eine Kalibrierung, bei der zusätzlich zu den drei Raumkoordinaten x, y, z, die durch Einnahme der zwangsgeführte Endstellung des Zentrierzapfens 12 in der Buchse 32 festgelegt sind, auch die Winkel im Raum (dargestellt durch Rotationsvektoren rx, ry, rz) wiederholt ermittelt werden können. Die drei Rotationsvektoren werden mittels des Drehzentrierteils 42 und des Drehgegenstücks 22 ermittelt, wobei vorzugsweise schon zwei der drei Rotationsvektoren durch die Festlegung des Drehzentrierteils 42 bzw. des Drehgegenstücks 22 festgelegt sind und der dritte Rotationsvektor durch das Drehen des Drehzentrierteils 42 relativ zum Drehgegenstück 22 ermittelt wird. Die sechs Koordinaten werden bei einer Kalibrierung neu ermittelt und zu einer Korrektur von Koordinatensystemen verwendet, wenn sich der Zentrierzapfen 12 in seiner Endstellung befindet.The invention enables calibration in which, in addition to the three spatial coordinates x, y, z, which are determined by assuming the forced end position of the centering pin 12 in the bushing 32, the angles in space (represented by rotation vectors rx, ry, rz) can also be determined repeatedly. The three rotation vectors are determined by means of the rotary centering part 42 and the rotary counterpart 22, whereby preferably two of the three rotation vectors are already determined by determining the rotary centering part 42 or the rotary counterpart 22 and the third rotation vector is determined by rotating the rotary centering part 42 relative to the rotary counterpart 22. The six coordinates are determined again during calibration and used to correct coordinate systems when the centering pin 12 is in its end position.

Anhand der 16 ist ersichtlich, dass es in dem Arbeitsbereich eines Roboters 60 mehrere Koordinatensysteme geben kann. In der Steuerungssoftware der Kontrolleinrichtung 80 kann der Bediener auswählen, ob mehrere und welche Koordinatensysteme berücksichtigt werden sollen. In der 16 sind drei Koordinatensysteme, in denen jeweils ein oder mehrere Arbeitspunkte für den Roboter 60 hinterlegt sind, abgebildet. Alle drei ursprünglichen Koordinatensysteme (in gestrichelten Linien dargestellt) sind entsprechend der Korrektur des ursprünglichen Kalibrierpunkts verschoben und auch zum Teil gedreht dargestellt (in durchgezogenen Linien dargestellt), um die Flexibilität des Kalibriersystems für das Anfahren von verschiedenen im Raum verteilten Arbeitsstationen nach der Kalibrierung zu verdeutlichen.Based on the 16 It is clear that there can be several coordinate systems in the working area of a robot 60. In the control software of the control device 80, the operator can select whether several and which coordinate systems should be taken into account. In the 16 Three coordinate systems are shown, each of which contains one or more work points for the robot 60. All three original coordinate systems (shown in dashed lines) are shifted according to the correction of the original calibration point and also partially rotated (shown in solid lines) in order to illustrate the flexibility of the calibration system for approaching various work stations distributed in the room after calibration.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die Rollen von erstem und zweitem Kalibrierelement in den Figuren vertauscht sein, so dass eine Buchse 32 an dem ersten Kalibrierelement 10 vorgesehen ist und in einen Zentrierzapfen 12 an dem zweiten, stationären Kalibrierelement 30 eintaucht.The invention is not limited to the embodiments described. For example, the roles of the first and second calibration elements can be swapped in the figures, so that a bushing 32 is provided on the first calibration element 10 and extends into a centering pin 12 on the second, stationary calibration element 30.

Weiterhin kann das erste oder das zweite Kalibrierelement 10, 30 nicht nur einen Zentrierzapfen 12, sondern mehrere umfassen und entsprechend das zweite oder das erste Kalibrierelement 30, 10 eine oder mehrere Buchsen 32. Auch ist eine Kombination von Zapfen 12 und Buchsen 32 in dem ersten bzw. zweiten Kalibrierelement 10, 30 bei entsprechend korrespondierender Ausgestaltung des zweiten bzw. ersten Kalibrierelements 30, 10 möglich. Des Weiteren kann das Drehzentrierteil 42 und das Drehgegenstück 22 andere Ausgestaltungen als Passstift 43 und gekrümmtes Langloch 23 umfassend aufweisen.Furthermore, the first or the second calibration element 10, 30 can comprise not only one centering pin 12, but several, and accordingly the second or the first calibration element 30, 10 can comprise one or more bushings 32. A combination of pins 12 and bushings 32 in the first or second calibration element 10, 30 is also possible with a corresponding design of the second or first calibration element 30, 10 is possible. Furthermore, the rotary centering part 42 and the rotary counterpart 22 can have other configurations than the dowel pin 43 and the curved slot 23.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11
Kalibrierwerkzeugcalibration tool
55
Kalibrierstationcalibration station
77
Unterbausubstructure
1010
erstes Kalibrierelementfirst calibration element
1111
Basisplattebase plate
1212
Zentrierzapfencentering pin
13a-d13a-d
Oberflächensurfaces
1414
SpitzeGreat
1515
Bohrungendrilling
2222
Drehgegenstückrotating counterpart
22a22a
erste Kontaktflächefirst contact surface
2323
Langlochslot
2626
Vorsprungprojection
23b,c23b,c
Enden des Langlochsends of the slot
3030
zweites Kalibrierelementsecond calibration element
3232
Buchsesocket
33a-d33a-d
Oberflächensurfaces
3434
Grundkörperbase body
3535
Auskragungenoverhangs
3636
Öffnungopening
4242
Drehzentrierteilrotary centering part
4343
Passstiftdowel pin
4646
erster Vorsprungfirst lead
4747
zweiter Vorsprungsecond lead
5050
Kalibriersystemcalibration system
6060
Roboterrobot
6262
Fahrgestellchassis
6464
Roboterarmrobot arm
6666
Halterungbracket
7070
Sensoreinrichtungsensor device
7272
Sensorensensors
8080
Kontrolleinrichtungcontrol device
9090
Fahrerloses Transportsystemdriverless transport system
9292
Werkstückeworkpieces
9494
Bestückungsbehältnisassembly container
LL
Längsachse des Zentrierzapfenslongitudinal axis of the centering pin
KK
Kontaktstellecontact point
f1f1
Eintauchrichtungimmersion direction
f2f2
Drehrichtungdirection of rotation
f3f3
Drehrichtungdirection of rotation
WW
Winkelbereichangular range

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  • JP 5337856 A [0003]JP 5337856 A [0003]
  • EP 2328724 A1 [0004]EP 2328724 A1 [0004]

Claims (25)

Kalibrierwerkzeug (1) zum selbstständigen Kalibrieren eines Roboters (60) zum wiederholten hochpräzisen Auffinden einer oder mehrerer verschiedener Bearbeitungspositionen des Roboters (60), wobei das Kalibrierwerkzeug (1) umfasst: ein erstes Kalibrierelement (10), das zur Anordnung an einem Roboterarm (64) eines mobilen oder stationären Roboters (60) ausgebildet ist, und ein zweites Kalibrierelement (30), das zur Anordnung an einer stationären oder mobilen Kalibrierstation (5) ausgebildet ist, wobei das erste oder das zweite Kalibrierelement (10, 30) einen Zentrierzapfen (12) umfasst, und wobei das zweite oder das erste Kalibrierelement (30, 10) eine komplementär zum Zentrierzapfen (12) konturierte Buchse (32) umfasst, wobei der Zentrierzapfen (12) zum Eintauchen in eine Eintauchrichtung (f1) in die Buchse (32) bis in eine Endstellung ausgebildet ist, und wobei das erste oder das zweite Kalibrierelement (10, 30) ein seitlich des Zentrierzapfens (12) oder der Buchse (32) angeordnetes Drehzentrierteil (42) aufweist, das mit einem an dem zweiten oder ersten Kalibrierelement (30, 10) angeordneten Drehgegenstück (22) durch Drehen um die Eintauchrichtung (f1) kontaktierend zusammenwirkt, um aus diesen Drehbewegungen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) die Drehposition des ersten oder des zweiten Kalibrierelements (10, 30) zu ermitteln.Calibration tool (1) for the independent calibration of a robot (60) for the repeated, high-precision locating of one or more different processing positions of the robot (60), wherein the calibration tool (1) comprises: a first calibration element (10) which is designed to be arranged on a robot arm (64) of a mobile or stationary robot (60), and a second calibration element (30) which is designed to be arranged on a stationary or mobile calibration station (5), wherein the first or the second calibration element (10, 30) comprises a centering pin (12), and wherein the second or the first calibration element (30, 10) comprises a bushing (32) contoured complementarily to the centering pin (12), wherein the centering pin (12) is designed to be immersed in an immersion direction (f1) into the bushing (32) up to an end position, and wherein the first or the second calibration element (10, 30) a rotary centering part (42) arranged laterally of the centering pin (12) or the bushing (32), which interacts with a rotary counterpart (22) arranged on the second or first calibration element (30, 10) by rotating about the immersion direction (f1) in order to determine the rotary position of the first or second calibration element (10, 30) from these rotary movements of the first or second calibration element (10, 30). Kalibrierwerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzentrierteil (42) und das Drehgegenstück (22) räumlich getrennt von dem Zentrierzapfen (12) und der Buchse (32) angeordnet sind.Calibration tool (1) after claim 1 , characterized in that the rotary centering part (42) and the rotary counterpart (22) are arranged spatially separated from the centering pin (12) and the bushing (32). Kalibrierwerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzentrierteil (42) einen Vorsprung umfasst, der in einem Winkel bezogen auf die Längsachse (L) des Zentrierzapfens (12) nach außen absteht und dass das Drehgegenstück (22) mindestens zwei Vorsprünge umfasst, wobei der Vorsprung des Drehzentrierteils (42) in der Endstellung des Zentrierzapfens (12) in der Buchse (32) zwischen den beiden Vorsprüngen des Drehgegenstücks (22) gedreht und hierdurch an diesen beiden Vorsprüngen anschlagen kann.Calibration tool (1) after claim 1 , characterized in that the rotary centering part (42) comprises a projection which projects outwards at an angle relative to the longitudinal axis (L) of the centering pin (12) and that the rotary counterpart (22) comprises at least two projections, wherein the projection of the rotary centering part (42) in the end position of the centering pin (12) in the bushing (32) can be rotated between the two projections of the rotary counterpart (22) and can thereby strike against these two projections. Kalibrierwerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzentrierteil (42) an dem Zentrierzapfen (12) oder der Buchse (32) und das Drehgegenstück (22) an der Innenwand der Buchse (32) oder der Außenwand des Zentrierzapfens (12) angeordnet ist.Calibration tool (1) after claim 1 , characterized in that the rotary centering part (42) is arranged on the centering pin (12) or the bushing (32) and the rotary counterpart (22) is arranged on the inner wall of the bushing (32) or the outer wall of the centering pin (12). Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzentrierteil (42) und das Drehgegenstück (22) derart ausgebildet sind, dass das Drehzentrierteil (42) beim Eintauchen des Zentrierzapfens (12) in die Buchse (32) eine erste Kontaktfläche (22a) des Drehgegenstücks (22) zu berühren und an dieser ersten Kontaktfläche (22a) durch Drehen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) um die Eintauchrichtung (f1) entlang zu gleiten vermag, bis das Drehzentrierteil (42) durch Bewegen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) in Eintauchrichtung (f1) in das Drehgegenstück (22) einzutauchen vermag.Calibration tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotary centering part (42) and the rotary counterpart (22) are designed such that the rotary centering part (42) can touch a first contact surface (22a) of the rotary counterpart (22) when the centering pin (12) is immersed in the bushing (32) and can slide along this first contact surface (22a) by rotating the first or second calibration element (10, 30) about the immersion direction (f1) until the rotary centering part (42) can immerse into the rotary counterpart (22) by moving the first or second calibration element (10, 30) in the immersion direction (f1). Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzentrierteil (42) mindestens einen Passstift (43) und das Drehgegenstück (22) ein gekrümmtes Langloch (23) umfassen.Calibration tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotary centering part (42) comprises at least one dowel pin (43) and the rotary counterpart (22) comprises a curved elongated hole (23). Kalibrierwerkzeug (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Langloch (23) sich in einer Richtung erstreckt, die senkrecht zur Eintauchrichtung (f1) liegt.Calibration tool (1) according to the preceding claim, characterized in that the elongated hole (23) extends in a direction which is perpendicular to the immersion direction (f1). Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Passstift (43) durch Bewegen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) in Eintauchrichtung (f1) in das Langloch (23) einzutauchen und durch Drehen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) um die Eintauchrichtung (f1) an beiden Enden (23b, 23c) des Langlochs (23) zur Anlage zu kommen vermag, um hieraus die Drehposition des ersten oder des zweiten Kalibrierelements (10, 30) zu ermitteln.Calibration tool (1) according to one of the two preceding claims, characterized in that the dowel pin (43) can be immersed in the elongated hole (23) by moving the first or second calibration element (10, 30) in the immersion direction (f1) and can come to rest on both ends (23b, 23c) of the elongated hole (23) by rotating the first or second calibration element (10, 30) about the immersion direction (f1) in order to determine the rotational position of the first or second calibration element (10, 30) therefrom. Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierzapfen (12) eine in einer Seitenansicht nicht-lineare Seitenflächenkontur aufweist.Calibration tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the centering pin (12) has a side surface contour that is non-linear in a side view. Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierzapfen (12) gestuft ausgebildet ist, vorzugsweise zweifach gestuft, besonders bevorzugt als doppelt gestufter Konus.Calibration tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the centering pin (12) is stepped, preferably double-stepped, particularly preferably as a double-stepped cone. Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufkonturen des Zentrierzapfens (12) und der Buchse (32) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.Calibration tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the circumferential contours of the centering pin (12) and the bushing (32) are rotationally symmetrical. Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (32) eine nach unten hin ausgerichtete Öffnung (36) aufweist.Calibration tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the bushing (32) has a downwardly directed opening (36). Kalibriersystem (50) mit einem Kalibrierwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibriersystem (50) einen Roboter (60) mit einem Roboterarm (64) umfasst, wobei an dem Roboterarm (64) eine Halterung (66) für das erste oder das zweite Kalibrierelement (10, 30) sowie eine Halterung für ein Werkzeug oder Werkstück vorgesehen ist, wobei die Halterungen vorzugsweise identisch sind, wobei der Roboterarm (64) kraftgeregelt ausgebildet ist, wozu an dem Roboterarm (64) eine Kraftmesseinrichtung, vorzugsweise ausgebildet als Sensoreinrichtung (70) mit Kraft- und/oder Momenten-Sensoren (72) und diese vorzugsweise ausgebildet als mehrachsige Kraft-Momenten-Sensoren (72), vorgesehen ist, wobei das Kalibriersystem (50) weiterhin eine rechnergesteuerte Kontrolleinrichtung (80) umfasst, die Messwerte der Kraftmesseinrichtung empfängt und verarbeitet, und wobei die Kontrolleinrichtung (80) derart ausgebildet ist, dass sie das Eintauchen des Zentrierzapfens (12) in die Buchse (32) und die Relativbewegung von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) steuert, wobei die Kraftmesseinrichtung die Kontaktpunkte von Zentrierzapfen (12) und Buchse (32) und/oder die durch Kontakt von Zentrierzapfen (12) und Buchse (32) auftretenden Kräfte sowie die Kontaktpunkte von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) und/oder die durch Kontakt von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) auftretenden Kräfte erfasst.Calibration system (50) with a calibration tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration system (50) comprises a robot (60) with a robot arm (64), wherein a holder (66) for the first or the second calibration element (10, 30) and a holder for a tool or workpiece are provided on the robot arm (64), wherein the holders are preferably identical, wherein the robot arm (64) is designed to be force-controlled, for which purpose a force measuring device, preferably designed as a sensor device (70) with force and/or torque sensors (72) and these preferably designed as multi-axis force-torque sensors (72), is provided on the robot arm (64), wherein the calibration system (50) further comprises a computer-controlled control device (80) which receives and processes measured values of the force measuring device, and wherein the control device (80) is designed such that it controls the immersion of the centering pin (12) in the bushing (32) and the relative movement of the rotary centering part (42) and the rotary counterpart (22) controls, wherein the force measuring device detects the contact points of the centering pin (12) and the bushing (32) and/or the forces occurring through contact between the centering pin (12) and the bushing (32) as well as the contact points of the rotary centering part (42) and the rotary counterpart (22) and/or the forces occurring through contact between the rotary centering part (42) and the rotary counterpart (22). Kalibriersystem (50) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (80) zur Steuerung der folgenden Verfahrensschritte ausgebildet ist: - durch Bewegen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) werden, solange noch nicht vorliegend, die beiden Konturen von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) zueinander in Flucht gebracht, - der Zentrierzapfen (12) wird kraftgeregelt in Eintauchrichtung (f1) relativ zur Buchse (32) bewegt, bis der Zentrierzapfen (12) seine Endstellung in der Buchse (32) erreicht, - durch kraftgeregeltes Drehen des ersten Kalibrierelements (10, 30) relativ zum zweiten Kalibrierelement (10, 30) wird auf Grundlage der von der Kraftmesseinrichtung erfassten Kontaktpunkte von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) und/oder der durch Kontakt von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) auftretenden Kräfte die exakte Winkelposition des Zentrierzapfens (12) ermittelt.Calibration system (50) according to the preceding claim, characterized in that the control device (80) is designed to control the following method steps: - by moving the first or second calibration element (10, 30), the two contours of the rotary centering part (42) and rotary counterpart (22) are brought into alignment with one another, as long as they are not yet present, - the centering pin (12) is moved in a force-controlled manner in the immersion direction (f1) relative to the bushing (32) until the centering pin (12) reaches its end position in the bushing (32), - by force-controlled rotation of the first calibration element (10, 30) relative to the second calibration element (10, 30), the exact angular position of the centering pin (12) is determined. Kalibriersystem nach einem der vorhergehenden Systemansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (80) weiterhin zur Steuerung des Verfahrensschritts ausgebildet ist, dass durch Vergleich mit einem hinterlegten Datensatz überprüft wird, ob das Drehzentrierteil (42) tatsächlich an dem Drehgegenstück (22) anschlägt und/oder ob eine Fehlfahrt vorliegt.Calibration system according to one of the preceding system claims, characterized in that the control device (80) is further designed to control the method step of checking, by comparison with a stored data set, whether the rotary centering part (42) actually strikes the rotary counterpart (22) and/or whether an incorrect travel has occurred. Kalibriersystem (50) nach einem der vorhergehenden Systemansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (80) derart ausgebildet ist, dass sie anhand der Erfassung der besagten Kontaktpunkte und/oder auftretenden Kräfte ein Koordinatensystem anlegt oder aktualisiert oder Korrekturwerte für ein Koordinatensystem generiert, auf dessen bzw. deren Grundlage der Roboterarm (64) ein von ihm aufgenommenes Werkzeug zu einer Bearbeitungsposition verfährt, wobei die Koordinaten der Bearbeitungsposition in einem elektronischen Speicher hinterlegt und von der Kontrolleinrichtung (80) abrufbar sind.Calibration system (50) according to one of the preceding system claims, characterized in that the control device (80) is designed such that, based on the detection of said contact points and/or occurring forces, it creates or updates a coordinate system or generates correction values for a coordinate system on the basis of which the robot arm (64) moves a tool picked up by it to a processing position, wherein the coordinates of the processing position are stored in an electronic memory and can be called up by the control device (80). Kalibriersystem (50) nach einem der vorhergehenden Systemansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein RFID-Chip im Bereich von oder an dem ersten oder zweiten Kalibrierelement (10, 30) und zumindest eine RFID-Leseeinrichtung im Bereich von oder an dem zweiten oder ersten Kalibrierelement (30, 10) vorgesehen ist.Calibration system (50) according to one of the preceding system claims, characterized in that an RFID chip is provided in the region of or on the first or second calibration element (10, 30) and at least one RFID reading device is provided in the region of or on the second or first calibration element (30, 10). Kalibriersystem (50) nach einem der vorhergehenden Systemansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kamerasystem zum unterstützenden Hinführen des ersten oder zweiten Kalibierelements (10, 30) zum zweiten oder ersten Kalibrierelement (30, 10) vorgesehen ist.Calibration system (50) according to one of the preceding system claims, characterized in that a camera system is provided for assisting in guiding the first or second calibration element (10, 30) to the second or first calibration element (30, 10). Kalibriersystem (50) nach einem der vorhergehenden Systemansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (60) mit dem ersten Kalibrierelement (10) verfahrbar ausgebildet ist, beispielsweise durch Anordnung auf einem fahrbaren Fahrgestell (62), und dass das zweite Kalibrierelement (30) stationär angeordnet ist.Calibration system (50) according to one of the preceding system claims, characterized in that the robot (60) with the first calibration element (10) is designed to be movable, for example by being arranged on a mobile chassis (62), and that the second calibration element (30) is arranged stationary. Kalibriersystem (50) nach einem der vorhergehenden Systemansprüche bis auf den unmittelbar vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (60) mit dem ersten Kalibrierelement (10) stationär aufgestellt ist, und dass das zweite Kalibrierelement (30) auf einem fahrerlosen Transportsystem (90) angeordnet ist.Calibration system (50) according to one of the preceding system claims except for the immediately preceding one, characterized in that the robot (60) with the first calibration element (10) is set up stationary, and that the second calibration element (30) is arranged on a driverless transport system (90). Verfahren zum selbstständigen Kalibrieren eines mobilen oder stationären Roboters (60) zum wiederholten hochpräzisen Auffinden einer oder mehrerer verschiedener Bearbeitungspositionen des Roboters (60), insbesondere mittels eines Kalibriersystems (50) nach einem der vorhergehenden Systemansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - es wird ein erstes Kalibrierelement (10) zur Verfügung gestellt, das zur Anordnung an einem Roboterarm (64) des mobilen oder stationären Roboters (60) ausgebildet ist; - es wird ein zweites Kalibrierelement (30) zur Verfügung gestellt, das zur Anordnung an einer stationären oder mobilen Kalibrierstation (5) ausgebildet ist, wobei das erste oder das zweite Kalibrierelement (10, 30) einen Zentrierzapfen (12) und das zweite oder das erste Kalibrierelement (30, 10) eine komplementär zum Zentrierzapfen (12) konturierte Buchse (32) umfasst; - es wird ein am ersten oder zweiten Kalibrierelement (10, 30) seitlich des Zentrierzapfens (12) vorgesehenes Drehzentrierteil (42) sowie ein an dem zweiten oder ersten Kalibrierelement (30, 10) angeordnetes Drehgegenstück (22) zur Verfügung gestellt; - das erste Kalibrierelement (10) wird durch kraftgeregeltes Bewegen des Roboterarms (64), unter Verwendung einer an dem Roboterarm (64) angeordneten Kraftmesseinrichtung, vorzugsweise ausgebildet als Sensoreinrichtung (70) mit mehreren Kraft- und/oder Momenten-Sensoren (72) und diese vorteilhafterweise ausgebildet als Kraft-Momenten-Sensoren (72), in eine Eintauchrichtung (f1) in das zweite Kalibrierelement (30) eingefahren; - danach oder zuvor wird das erste oder zweite Kalibrierelement (10, 30) um die Eintauchrichtung (f1) gedreht und aus der Kontaktierung von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) die Drehposition des ersten oder des zweiten Kalibrierelements (10, 30) ermittelt; - eine Kontrolleinrichtung (80) steuert die eintauchende relative Bewegung von Zentrierzapfen (12) zur Buchse (32) sowie das Drehen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) um die Eintauchrichtung (f1) auf Grundlage der folgenden von der Kraftmesseinrichtung erfassten folgenden Messgrößen: - Kontaktpunkte von Zentrierzapfen (12) und Buchse (32) und/oder der durch Kontakt von Zentrierzapfen (12) und Buchse (32) auftretenden Kräfte; und - Kontaktpunkte von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) und/oder der durch Kontakt von Drehzentrierteil (42) und Drehgegenstück (22) auftretenden Kräfte.Method for the independent calibration of a mobile or stationary robot (60) for the repeated high-precision locating of one or more different processing positions of the robot (60), in particular by means of a calibration system (50) according to one of the preceding system claims, wherein the method comprises the following steps: - a first calibration element (10) is provided which is designed to be arranged on a robot arm (64) of the mobile or stationary robot (60); - a second calibration element (30) is provided which is designed to be arranged on a stationary or mobile calibration station (5) wherein the first or the second calibration element (10, 30) comprises a centering pin (12) and the second or the first calibration element (30, 10) comprises a bushing (32) contoured complementarily to the centering pin (12); - a rotary centering part (42) provided on the first or second calibration element (10, 30) to the side of the centering pin (12) and a rotary counterpart (22) arranged on the second or first calibration element (30, 10) are provided; - the first calibration element (10) is moved into the second calibration element (30) in an immersion direction (f1) by force-controlled movement of the robot arm (64), using a force measuring device arranged on the robot arm (64), preferably designed as a sensor device (70) with several force and/or moment sensors (72) and these advantageously designed as force-moment sensors (72); - after this or beforehand, the first or second calibration element (10, 30) is rotated about the immersion direction (f1) and the rotational position of the first or second calibration element (10, 30) is determined from the contact between the rotary centering part (42) and the rotary counterpart (22); - a control device (80) controls the immersing relative movement of the centering pin (12) to the bushing (32) and the rotation of the first or second calibration element (10, 30) about the immersion direction (f1) on the basis of the following measured variables recorded by the force measuring device: - contact points of the centering pin (12) and bushing (32) and/or the forces occurring through contact between the centering pin (12) and bushing (32); and - contact points of the rotary centering part (42) and rotary counterpart (22) and/or the forces occurring through contact between the rotary centering part (42) and rotary counterpart (22). Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin die folgenden Verfahrensschritte umfasst: - wenn das Drehzentrierteil (42) beim Eintauchen des Zentrierzapfens (12) in die Buchse (32) eine erste Kontaktfläche (22a) des Drehgegenstücks (22) berührt, wird es an dieser ersten Kontaktfläche (22a) durch Drehen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) um die Eintauchrichtung (f1) gleitend entlanggeführt, bis das Drehzentrierteil (42) durch Bewegen des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) in Eintauchrichtung (f1) in das Drehgegenstück (22) eintauchen kann.Method according to the preceding method claim, characterized in that it further comprises the following method steps: - when the rotary centering part (42) touches a first contact surface (22a) of the rotary counterpart (22) when the centering pin (12) is immersed in the bushing (32), it is guided in a sliding manner along this first contact surface (22a) by rotating the first or second calibration element (10, 30) about the immersion direction (f1) until the rotary centering part (42) can immerse into the rotary counterpart (22) by moving the first or second calibration element (10, 30) in the immersion direction (f1). Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin die folgenden Verfahrensschritte umfasst: - das Drehzentrierteil (42) umfasst einen Passstift (43) und das Drehgegenstück (22) umfasst ein gekrümmtes Langloch (23); - unter Steuerung der Kontrolleinrichtung (80) wird der Roboterarm (64) mit dem ersten oder zweiten Kalibrierelement (10, 30) derart bewegt, dass, falls noch nicht vorliegend, die beiden Konturen von Passstift (43) und Langloch (23) in Flucht gebracht werden; - unter Steuerung der Kontrolleinrichtung (80) wird der Zentrierzapfen (12) kraftgeregelt relativ zur Buchse (32) in Eintauchrichtung (f1) bewegt, bis der Zentrierzapfen (12) eine Endstellung in der Buchse (32) erreicht; - unter Steuerung der Kontrolleinrichtung (80) wird das erste Kalibrierelement (10) relativ zum zweiten Kalibrierelement (30) auf Grundlage der von der Kraftmesseinrichtung erfassten Kontaktpunkte von Passstift (43) und Langloch (23) und/oder der durch Kontakt von Passstift (43) und Langloch (23) auftretenden Kräfte bis zum Anschlag des Passstifts (43) an mindestens einem, vorzugsweise beiden Enden des Langlochs (23) gedreht und somit die exakte Winkelposition des ersten oder zweiten Kalibrierelements (10, 30) ermittelt; - durch Vergleich dieser Winkelposition mit einem hinterlegten Datensatz wird überprüft, ob der Zentrierzapfen (12) tatsächlich in die Buchse (32) des Kalibriersystems eingefahren wurde und/oder ob eine Fehlfahrt vorliegt.Method according to one of the preceding method claims, characterized in that it further comprises the following method steps: - the rotary centering part (42) comprises a dowel pin (43) and the rotary counterpart (22) comprises a curved elongated hole (23); - under the control of the control device (80), the robot arm (64) with the first or second calibration element (10, 30) is moved in such a way that, if not already present, the two contours of the dowel pin (43) and the elongated hole (23) are brought into alignment; - under the control of the control device (80), the centering pin (12) is moved in a force-controlled manner relative to the bushing (32) in the immersion direction (f1) until the centering pin (12) reaches an end position in the bushing (32); - under the control of the control device (80), the first calibration element (10) is rotated relative to the second calibration element (30) on the basis of the contact points of the dowel pin (43) and the elongated hole (23) detected by the force measuring device and/or the forces occurring due to contact between the dowel pin (43) and the elongated hole (23) until the dowel pin (43) stops at at least one, preferably both ends of the elongated hole (23), thus determining the exact angular position of the first or second calibration element (10, 30); - by comparing this angular position with a stored data set, it is checked whether the centering pin (12) has actually been moved into the bushing (32) of the calibration system and/or whether an incorrect travel has occurred. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (80) anhand der Erfassung der besagten Kontaktpunkte und/oder auftretenden Kräfte ein Koordinatensystem anlegt oder aktualisiert oder Korrekturwerte für ein Koordinatensystem generiert, auf dessen bzw. deren Grundlage der Roboterarm (64) ein von ihm aufgenommenes Werkzeug zu einer Bearbeitungsposition verfährt, wobei die Koordinaten der Bearbeitungsposition in einem elektronischen Speicher hinterlegt und von der Kontrolleinrichtung (80) abrufbar sind.Method according to one of the preceding method claims, characterized in that the control device (80) creates or updates a coordinate system based on the detection of the said contact points and/or occurring forces or generates correction values for a coordinate system on the basis of which the robot arm (64) moves a tool picked up by it to a processing position, wherein the coordinates of the processing position are stored in an electronic memory and can be called up by the control device (80). Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierzapfen (12) gestuft ausgebildet zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise zweifach gestuft, besonders bevorzugt als doppelt gestufter Konus.Method according to one of the preceding method claims, characterized in that the centering pin (12) is provided in a stepped configuration, preferably in two stages, particularly preferably as a double-stepped cone.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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