DE19754857C2

DE19754857C2 - Vorrichtung zum Bestimmen der Position des Schweißdrahtes, der Elektrode oder der Achse eines Roboters

Info

Publication number: DE19754857C2
Application number: DE19754857A
Authority: DE
Inventors: Helmut Klie; Josef Niedermeier
Original assignee: MOTOMAN ROBOTEC GmbH
Current assignee: MOTOMAN ROBOTEC GmbH
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: DE19754857A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatischen Bestimmen der Position des Schweißdrahtes oder der Elektrode eines Roboters und/oder zum automati schen Bestimmen der Position der Achsen eines Roboters.

Bei der industriellen Fertigung werden seit einiger Zeit Roboter bzw. Handha bungsautomaten angewendet. Eine wichtige Aufgabe, die von derartigen Robotern erfüllt werden können, ist dabei das Schweißen von Bauteilen. Der Roboter trägt einen Brenner mit einem Schweißdraht oder einer Elektrode. Hierbei kann es durch Fehlbedienungen oder durch andere Fehler dazu kommen, daß der Brenner an den zu schweißenden Gegenständen oder deren Aufspannvorrichtung oder sonstigen Gegenständen anstößt, wodurch sich die Position des Schweißdrahtes oder der Elektrode verstellen kann. Der Schweißdraht oder die Elektrode befindet sich dann nicht mehr an der vorbestimmten Position, so daß beim Schweißen Fehler auftre ten.

Aus der DE 37 24 656 C2 ist es bekannt, mit Hilfe einer Mehrfachlichtschranke, die an einem räumlich bewegbaren Meßarm angebracht, gekrümmte Werkstücke zu vermessen. Eine Positionsbestimmung des Schweißwerkzeugs oder der Achsen eines Roboters erfolgt jedoch nicht.

Aus der DE 33 31 101 C2 ist eine Überwachungsvorrichtung für ein von einem In dustrieroboter gehaltenes Schweißwerkzeug bekannt, die mittels kreuzweise ange ordneter Näherungsschalter zu große Positionsfehler des Schweißwerkzeuges er faßt und anzeigt. Hinsichtlich einer exakten Positionsbestimmung des Schweiß werkzeugs ist diese Vorrichtung jedoch verbesserungsfähig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Bestimmen der Po sition des Schweißdrahtes oder der Elektrode eines Roboters und/oder zum Be stimmen der Achsen eines Roboters zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 ge löst. Die Vorrichtung besitzt also eine erste Lichtschranke und eine zweite Licht schranke, wobei die zweite Lichtschranke in einem Winkel zur ersten Lichtschranke verläuft. Vorzugsweise verläuft die zweite Lichtschranke in einem rechten Winkel zur ersten Lichtschranke. Durch die beiden Lichtschranken kann die Position des Schweißdrahtes oder der Elektrode einfach, zuverlässig und schnell bestimmt werden. Statt dessen oder zusätzlich ist es möglich, die Position der Achsen des Roboters einfach, zuverlässig und schnell zu bestim men. Wenn nötig wird die neue Position des Schweißdrahtes oder der Elektrode vermessen. Anschließend kann das gesamte Programm des Roboters um den be stimmten Wert verschoben und weiter zuverlässig durchgeführt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Vorzugsweise liegen die Lichtschranken in einer horizontalen Ebene.

Vorzugsweise werden als Lichtschranken Laserlichtschranken verwendet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position des Schweißdrahtes eines Roboters in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Elektrode eines Roboters in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 3 die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung mit einem Kalibrierungs werkzeug und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm für den Betrieb der Vorrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zum Bestimmen der Position des Schweißdrahtes eines Roboters besteht aus einer Grundplatte 1, auf der eine erste Laserlichtschran ke S1-E1 montiert ist sowie eine zweite Laserlichtschranke S2-E2. Jede Licht schranke besteht aus einem Sender S1, S2 und einem zugehörigen Empfänger E1, E2. Die Achsen 2, 3 der Lichtschranken S1-E1 und S2-E2 liegen in einer horizonta len Ebene. Sie verlaufen in einem rechten Winkel zueinander.

In der Grundplatte 1 ist unter dem Schnittpunkt 4 der Lichtschranken S1-E1 und S2- E2 eine Öffnung 5 vorgesehen.

Die Vorrichtung dient zur Bestimmung der Position des Schweißdrahtes 6, der sich am Ende des Schweißbrenners 7 befindet. Der Schweißbrenner 7 ist an einem Ro boter oder Handhabungsautomat angebracht. Sein vorderes Ende weist eine Ab winklung 8 auf, an die sich eine Gasdüse 9 und eine Kontaktdüse 10 anschließt. Der Schweißdraht 6 verläuft senkrecht zur Ebene, die von den Achsen 2, 3 der Laser lichtschranken aufgespannt wird. Da diese Ebene in horizontaler Richtung liegt, ver läuft der Schweißdraht 6 in vertikaler Richtung.

Wenn die Position des Schweißdrahtes 6 überprüft werden soll, wird der Schweiß brenner 7 zunächst in die in Fig. 1 gezeigte Stellung gebracht und der Schweißdraht etwa 20 mm ausgefahren. Anschließend wird der Schweißbrenner 7 und mit ihm der Schweißdraht 6 weiter nach unten abgesenkt, bis sich die unten liegende Spitze des Schweißdrahtes 6 unterhalb der von den Achsen 2, 3 aufgespannten Ebene befin det. Die Öffnung 5 gewährleistet, daß die Spitze des Schweißdrahtes 6 dabei nicht mit der Grundplatte 1 kollidieren kann.

Anschließend wird der Schweißbrenner 7 und mit ihm der Schweißdraht 6 in x- Richtung verfahren, also in Richtung der Achse 3 der zweiten Laserlichtschranke S2- E2. Während des Verfahrens wird die erste Laserlichtschranke S1-E1 verdunkelt, wenn der Schweißdraht 6 die Achse 2 dieser ersten Laserlichtschranke S1-E1 kreuzt. Auf diese Weise kann die tatsächliche Position des Schweißdrahtes 6 auf der x-Achse bestimmt werden.

Anschließend wird der Schweißbrenner 7 und mit ihm der Schweißdraht 6 in y- Richtung verfahren, also in Richtung der Achse 2 der ersten Laserlichtschranke S1- E1. Während dieses Verfahrens verdunkelt der Schweißdraht 6 an einer bestimmten Stelle des Verfahrweges die zweite Laserlichtschranke S2-E2. Dies geschieht, wenn der Schweißdraht 6 die Achse 3 der zweiten Laserlichtschranke S2-E2 kreuzt. Auf diese Weise kann die tatsächliche y-Position des Schweißdrahtes 6 bestimmt wer den. Der Schweißdraht 6 befindet sich am Ende des Überprüfungsvorgangs im Schnittpunkt 4 der Achsen 2, 3. In dieser Stellung verdunkelt er beide Laserlicht schranken. Die Werte der Abweichungen in x- und y-Richtung sind jetzt bekannt. Sie können abgespeichert und für die weitere Arbeit verwendet werden.

Es ist ferner möglich, auch die Position der Spitze des Schweißdrahtes 6 in der Richtung senkrecht zur Ebene der Lichtschranken zu bestimmen, also in der verti kalen z-Richtung. Zu diesem Zweck wird der Schweißdraht 6 zunächst am Schnitt punkt 4 der Achsen 2, 3 positioniert. Zum Ermitteln der z-Position wird der Brenner anschließend 2 bis 3 mm aus dem Schnittpunkt der beiden Lichtschranken gefahren. Danach kann die Suche in z-Richtung eingeleitet werden. Dabei werden die Licht schranken entweder durch die Kontaktdüse oder durch die Gasdüse unterbrochen. Die drei neuen Werte x, y und z werden nun zur Umrechnung und Korrektur aller Programme einschließlich des Prüfprogramms verwendet. Der z-Wert kann dann ebenfalls abgespeichert und für die weitere Arbeit verwendet werden. Der Schweiß draht 6 wird anschließend auf die richtige Länge abgeschnitten.

Nach einer zweiten Arbeitsweise kann die Vorrichtung zur Überprüfung der richtigen Position des Schweißdrahtes 6 verwendet werden. Es kann beispielsweise in regel mäßigen Abständen ein Überprüfungsprogramm durchlaufen werden, um die Positi on des Schweißdrahtes 6 zu überprüfen. Zu diesem Zweck wird der Schweißdraht 6 an die Soll-Position innerhalb der Vorrichtung zum Bestimmen der Position gefahren. Wenn durch die Vorrichtung festgestellt wird, daß sich der Schweißdraht 6 an der richtigen Stelle befindet, kann die übliche Arbeit weitergeführt werden. Wenn eine Abweichung festgestellt wird, kann entweder ein Alarm angezeigt und anschließend die Ursache durch die Bedienungsperson behoben werden oder die oben beschrie bene automatische Vermessung des Schweißdrahtes 6 gestartet werden.

Die Fig. 2 zeigt die Anwendung der Vorrichtung mit einem WIG-Brenner 11, an des sen unteren Ende sich eine Elektrode 12 befindet. Im übrigen entspricht der Aufbau der Vorrichtung derjenigen der Fig. 1, so daß die Bestandteile nicht erneut beschrie ben werden müssen.

In der Fig. 3 ist die Vorrichtung mit einem Roboterarm 13 gezeigt, an dem sich ein vertikal nach unten weisendes Kalibrierungswerkzeug 14 befindet. Die Vorrichtung entspricht derjenigen der Fig. 1 und 2, so daß sie nicht erneut beschrieben werden muß. Mit dem Kalibrierungswerkzeug kann die Vorrichtung in einer dritten Betriebsart verwendet werden. Das Kalibrierungswerkzeug 14 besteht aus einem Rundeisen, das an der Achse des Roboterarms 13 montiert wird. In dem Kalibrierungswerkzeug 14 ist ein durchgehendes Langloch 15 eingefräst. Durch Verfahren des Kalibrie rungswerkzeugs 14 in x- und y-Richtung im unteren und oberen Bereich des Werk zeugs und durch Verfahren in z-Richtung sowie durch entsprechendes Drehen des Kalibrierungswerkzeuges 14 können die exakte Position und auch der Drehwinkel dieses Kalibrierungswerkzeuges 14 und damit des Roboterarms 13 vermessen und bestimmt werden. Durch Drehen des Kalibrierungswerkzeuges 14 in Höhe des Langloches kann die Position der sechsten Achse gefunden werden, da der Licht strahl durch das Langloch in einer bestimmten Position des Kalibrierungswerkzeuges hindurchtritt. Die Position des Kalibrierungswerkzeuges 14 wird so lange verändert, bis die Lichtschranke schaltet. Anschließend wird das Kalibrierungswerkzeug 14 mit reduzierter Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung gedreht, bis die Licht schranke wieder unterbrochen wird. Durch einen Vergleich der ursprünglichen mit der aktuellen Position kann eine Abweichung in allen Achsen des Roboters festge stellt und anschließend für die Korrektur verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm. Der Start des Programms erfolgt entweder manuell über eine an der Bedienbox vorgesehene Taste oder zyklisch, also in bestimmten Zeitabständen, die durch das Programm des Roboters vorgegeben werden. Nach dem Start des Programms wird die Ist-Position des Schweißdrahtes bzw. der Elek trode wie oben erläutert bestimmt. Wenn dieser Ist-Wert mit dem Soll-Wert überein stimmt, wird das Programm des Roboters fortgesetzt. Andernfalls kann eine manu elle Justage erfolgen. Statt dessen kann die aktuelle Ist-Position in der oben erläu terten Weise automatisch gemessen werden, und das Programm des Roboters kann entsprechend automatisch verschoben werden. Danach wird erneut die Ist-Position des Schweißdrahtes bzw. der Elektrode bestimmt. Sie müßte jetzt in Ordnung ("i. O.") sein, so daß das Programm fortgesetzt werden kann. Wenn sie jedoch aus irgendei nem Grund nicht in Ordnung sein sollte, können die Schritte der manuellen Justage oder der automatischen Positionsbestimmung und -korrektur erneut durchlaufen werden.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, die beim MIG-MAG oder WIG- Schweißen oder bei Handhabungsaufgaben durch Handhabungsautomaten ange wendet werden kann. Sie löst das Problem, daß es durch Fehlbedienungen oder durch andere Fehler dazu kommen kann, daß der Brenner an der Vorrichtung an stößt und sich dadurch etwas verstellt. Dadurch liegt die Schweißnaht um diesen Betrag daneben. Das Ziel der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung besteht darin, den Schweißdraht oder die Elektrode (WIG) auf seine genaue Position überprüfen zu können. Wenn nötig wird die neue Position vermessen und anschließend das ge samte Programm mit den ermittelten Tooldaten verschoben. Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß durch diese Überprüfung sichergestellt wird, daß der Ro boter sein Programm mit der richtigen Brennerposition abfährt. Dadurch kann der Ausschuß begrenzt und die Nachprogrammierzeit (Anlagenstillstand) erheblich wenn nicht vollständig gesenkt werden.

Zur Überprüfung von Brenner und Roboter wird zyklisch ein Überprüfungsprogramm durchlaufen, das die Drahtposition überprüft. Die Drahtposition kann beispielsweise 12 bis 15 mm vom Kontaktrohr entfernt gemessen werden. Dadurch kann die Kon taktdüse auf genauen Sitz, Verschleiß sowie auch auf die Drahtqualität (Drall) über prüft werden. Der Roboter fährt so in das Prüfgerät, daß er mit dem Draht, der vorher für eine bestimmte Strecke von beispielsweise 2 cm aus der Kontaktdüse gefahren worden ist, die beiden Laserlichtschranken unterbricht. Der Zustand der beiden La serlichtschranken wird in der Robotersteuerung überprüft. Wenn beide Lichtschran ken unterbrochen werden, ist die Position des Brenners in Ordnung, und das Ar beitsprogramm kann weiter bearbeitet werden. Ist dies nicht der Fall, kann entweder ein Alarm angezeigt und anschließend die Ursache durch die Bedienperson behoben werden oder aber die automatische Vermessung des Brenners gestartet werden.

Bei der automatischen Vermessung und Korrektur der Roboter-Programme wird der Brenner so lange in x+-Richtung und x--Richtung bewegt, bis er die erste Licht schranke S1-E1 unterbricht. Dieser x-Wert wird im Roboterprogramm gespeichert. So wird nun auch für die y-Position vorgegangen (Lichtschranke S2-E2) und der ge fundene Wert in eine y-Variable gespeichert. Zum Ermitteln der z-Position muß der Brenner 2 bis 3 mm aus dem Schnittpunkt der beiden Lichtschranken gefahren wer den. Danach kann die Suche in z-Richtung eingeleitet werden. Dabei werden die Lichtschranken entweder durch die Kontaktdüse oder durch die Gasdüse unterbro chen. Die drei neuen Werte x, y und z werden nun zur Umrechnung und Korrektur aller Programme einschließlich des Prüfprogramms verwendet.

Nach einer weiteren Anwendung kann der Roboter kalibriert werden. Es kann also eine neue 0-Position des Roboters bestimmt werden. Durch Anbringung eines spe ziellen Werkzeuges (Kalibrierwerkzeuges) an den Roboterflansch kann durch eine Suchroutine die ursprüngliche mit der aktuellen Position verglichen und anschlie ßend verschoben werden. Dies kann automatisch und dadurch schneller und auch exakter erfolgen.

Claims

1. Vorrichtung zum automatischen Bestimmen der Position des Schweißdrahtes (6) oder der Elektrode (12) eines Roboters und/oder zum automatischen Be stimmen der Position der Achsen eines Roboters,
mit einer ersten Lichtschranke (S1-E1) und einer zweiten Lichtschranke (S2- E2), die in einem vorzugsweise rechten Winkel zur ersten Lichtschranke ver läuft,
und mit einer Einrichtung zum Verfahren des Schweißdrahtes bzw. der Elek trode bzw. der Roboter-Achse, bis der Schweißdraht (6) bzw. die Elektrode (12) bzw. die Roboter-Achse die erste Lichtschranke (S1-E1) und die zweite Lichtschranke (S2-E2) unterbricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschran ken in einer horizontalen Ebene liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht schranken Laserlichtschranken sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß der Schweiß draht (6) bzw. die Elektrode (12) bzw. die Roboter-Achse in z-Richtung derart verfahrbar ist, daß deren Position in z-Richtung bestimmbar ist.