DE102023108739A1 - Calibration tool, calibration system and method for autonomous calibration of a robot - Google Patents
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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
In der
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.
- - 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 der3 ; -
5 eine Unteransicht des ersten Kalibrierelements der3 und4 ; -
6 eine geschnittene Seitenansicht (entlang A-A der8 ) eines ersten Ausführungsbeispiels eines zweiten Kalibrierelements; -
7 eine perspektivische Draufsicht auf das zweite Kalibrierelement der6 ; -
8 eine Draufsicht des zweiten Kalibrierelements der6 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 der11 ; -
13 eine perspektivische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiels eines zweiten Kalibrierelements; -
14 eine Draufsicht auf das zweite Kalibrierelement der13 ; -
15a -d eine schematische Darstellung der Kalibrierung durch Korrigieren eines Koordinatensystems, und -
16 eine schematische Darstellung der Kalibrierung durch Korrigieren von mehreren Koordinatensystemen.
-
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 the3 ; -
5 a bottom view of the first calibration element of the3 and4 ; -
6 a sectioned side view (along AA of the8 ) of a first embodiment of a second calibration element; -
7 a perspective top view of the second calibration element of the6 ; -
8 a top view of the second calibration element of the6 and7 ; -
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 the11 ; -
13 a perspective top view of a second embodiment of a second calibration element; -
14 a top view of the second calibration element of the13 ; -
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
Gemäß der
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
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
Gemäß der
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
Die
In den
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
Ein zweites Kalibrierelement 30 ist in den
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
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.
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
Die
Die
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
Des Weiteren kann die Kontrolleinrichtung 80 aus den Messergebnissen feststellen, ob eine Fehlfahrt des ersten Kalibrierelements 10 vorliegt.Furthermore, the
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
In den
Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Ausführungsbeispielen besteht in der unterschiedlichen Ausgestaltung des Drehzentrierteils 42 und des Drehgegenstücks 22. Gemäß den
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
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
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
In
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
Anhand der
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
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
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- JP 5337856 A [0003]JP 5337856 A [0003]
- EP 2328724 A1 [0004]EP 2328724 A1 [0004]
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102023108739.8A DE102023108739A1 (en) | 2023-04-05 | 2023-04-05 | Calibration tool, calibration system and method for autonomous calibration of a robot |
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Citations (1)
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-
2023
- 2023-04-05 DE DE102023108739.8A patent/DE102023108739A1/en active Pending
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Legal Events
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SMART COBOTIX SOLUTIONS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: SMART COBOTIX GMBH, 56566 NEUWIED, DE |