CN1805830A - 用于微调机器人程序的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于微调机器人程序的方法，该机器人程序用于一个包括一个工业机器人、一个刀具和一个工件的机器人应用中，该工件将由刀具沿着一个包括工件上的多个期望姿态的路径加工，该机器人程序包括多个程序指令，该程序指令包括相应于期望姿态的编程姿态，其中该方法包括：定义一个微调坐标系Xft、Yft、Zft，选择一个所述的编程姿态pi，在该微调坐标系中计算所选定的姿态，在该微调坐标系中为所选定的姿态产生一个或多个程序指令，由该机器人运行所述一个或多个程序指令，确定在运行程序指令后获得的姿态和期望姿态之间的差值，根据所述差值调整该微调坐标系，在调整后的微调坐标系Xft’、Yft’、Zft’中为所选定的姿态产生一个或多个程序指令。

Description

用于微调机器人程序的方法

技术领域

本发明涉及一种用于微调机器人程序的方法，该机器人程序用于一个包括工业机器人、刀具和工件的机器人应用中，该工件将由该刀具沿着一个包括工件上的多个期望姿态的路径加工。该机器人程序包括多个程序指令，该程序指令包括相应于期望姿态的编程姿态。根据本发明的方法可用于对离线和在线编程的机器人程序进行微调。

本发明在例如各种类型的加工应用——比如修补、去毛边(debarring)、铣、锯、磨和钻等需要高精度的机器人应用中特别有用。本应用在例如电弧焊、水喷射切割、激光切割、胶合和装配等应用中也是有用的。

背景技术

机器人程序包括多个控制机器人运动的程序指令。机器人程序基于多个确定了刀具和工件之间关系的编程姿态。一个姿态由一个位置和一个方向两者确定。一个编程姿态包括在运行机器人程序时期望刀具相对于一个工件获得的位置和方向。机器人程序的生成包括一个确定路径姿态的第一步骤和基于确定的姿态产生程序指令的下一个步骤。

机器人应用是一种使用工业机器人来完成一项工作的应用。机器人经常用在对工件的表面进行加工的应用中。现有为机器人编程的方法包括在线教导机器人做出一系列姿态。这些姿态确定了一个在加工工件过程中机器人应当遵循的机器人路径。通过在编程过程中沿着期望的路径引导刀具经过多个位置和方向教导机器人如何完成一个任务。然后就基于编程姿态产生了机器人程序。然而，通过教导为机器人编程是耗时的，尤其是如果工件具有复杂的几何构型时。

一个应用的精度主要受到机器人结构的可重复性和能够移动与旋转刀具到期望的位置和方向的精度的限制。在许多例如机加工、激光切割、激光焊接等高精度的应用中，机器人的可重复性足够好但肉眼很难发现刀具的正确位置和方向。而且，即使有很长编程经验的机器人编程人员要想获得所需的精度，也需很多时间。

高级计算机编程语言和CAD/CAM的运用已经使得为更加复杂的应用进行离线机器人编程变得更可行。使用工业机器人必须考虑到例如坐标框架等机器人工作单元的部件和由部件引起的误差。工件和刀具的坐标系统相对于机器人坐标系必须以高精确度知悉。因此，校准成为应用机器人离线编程的关键。然而，在机器人在校准后运行离线产生的程序时，仍然会由于机器人运动中的误差和工件和刀具坐标系的校准误差而存在误差。因此，今天使用的用于校准坐标系的校准方法没有为需要非常高精度的应用提供足够高的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于微调机器人程序的方法，该方法提高了应用的精度。

此目的通过一个用于微调一个针对机器人应用的机器人程序的方法实现，其中该方法包括：定义一个微调坐标系，选择一个所述的编程姿态，在微调坐标系中计算所选定的姿态，在微调坐标系中为所选姿态产生一个或多个程序指令，由机器人运行所述的一个或多个程序指令，确定在运行所述一个或多个程序指令之后获得的姿态和期望的姿态之间的差值，根据所述差值调整微调坐标系使得获得的姿态接近期望的姿态，在调整后的坐标系中为所选姿态产生一个或多个程序指令，以及为至少另一个的编程姿态重复该方法。

由此，获得了一个新的调整后的机器人程序，它为工件的加工结果提供了较高的精度。该同一局部微调坐标系能够用于为所述姿态附近的其他编程姿态进行重新编程，或者路径上的每个姿态能够具有其本身的局部微调坐标系。通过为一个姿态重新编程意味着为该姿态生成了一个或多个新的机器人程序指令，并且先前的程序指令被新的程序指令所替代。根据本发明的方法在对应用进行校准和编程之后才实施。通过此方法，可在沿路径在每个姿态上都获得高精度。

必须相对于机器人坐标系得知微调坐标系。通常，一个依附于机器人基座上的机器人坐标系被用作机器人的参照坐标系。优选地，微调坐标系是一个相对于工件坐标系固定的坐标系，该工件坐标系是相对于工件固定的坐标系。工件坐标系通常已经相对于机器人坐标系被定义了。机器人程序指令确定了针对一个机器人运动的编程姿态、与该编程姿态相关的工件坐标系和定义于该机器人上的刀具坐标系。为了能够相对于工件坐标系调整编程目标姿态，微调坐标系相对于工件坐标系定义，并且目标姿态相对于微调坐标系定义。

另外一个调整目标姿态的方式是，相对于刀具坐标系定义一个微调坐标系，并且当针对一个特定的编程姿态计算机器人的运动时将该微调坐标系用作刀具坐标系。

在每个目标姿态都需要一个微调坐标系的情况下，微调坐标系可以定义为沿着路径总是改变其姿态的路径坐标系。在此情况下也可以使用编程姿态本身的位置和方向，即微调坐标系定义为与所选定的姿态具有相同的方向和位置的坐标系。在本发明的详细描述中，为简单起见描述了相对于工件坐标系定义该微调坐标系的情况。

根据本发明的一个实施例，对路径上的下一姿态重复进行微调，并且该微调包括：在前一姿态的局部微调坐标系中计算所述下一编程姿态，将机器人程序运行到前一姿态局部微调坐标系中的所述下一编程姿态，测量在获得的下一姿态和期望姿态之间的差值，调整前一姿态的局部微调坐标系的拷贝使得该下一获得的姿态接近期望姿态，以及将调整后的局部微调坐标系的拷贝保存为所述下一姿态的局部微调坐标系。这样，前一姿态的局部微调坐标系用于确定路径上下一姿态的局部微调坐标系。这样做的优点是，如果彼此邻近的姿态共用一个作相同调整的微调坐标系，那么需要更少的数据来确定微调。

根据本发明的一个实施例，获得的姿态和期望姿态之间的差值是通过将机器人从获得的姿态移动到期望姿态，并且记录在所述机器人移动过程中机器人姿态的改变来进行测量的。这样，使用机器人来测量获得的姿态和期望姿态之间的差值。使用机器人测量的优点是无需特定的测量单元。

根据本发明的一个实施例，工件上刀具所获得的姿态和刀具的期望姿态由一个位置测量单元测量，并且由来自所述测量单元的测量值之间的差值来计算所获得的和期望的姿态之间的差值。使用位置测量单元测量的优点是使用位置测量单元较容易和较安全，并且提供了比使用机器人测量的测量结果更高的精度。

根据本发明的一个实施例，该方法包括：在该编程姿态上叠加一个偏移距离，将机器人程序运行到所述叠加了偏移距离的编程姿态，并且在为姿态重新编程之前去掉该偏移距离。为了更容易地在工件和刀具上进行测量，在编程路径上的姿态叠加了一个偏移距离。例如，如果使用刀具来铣、磨或钻工件的内部结构，必须在路径的位置上叠加一个偏移距离以使得能够完成测量。优选地，所述偏移距离对应一个足够大的距离，以便能够用位置测量单元在刀具和工件之间测量。

根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括：当在一个为前一姿态调整了的微调坐标系中确定该编程姿态时，检查在获得的姿态和期望姿态之间是否存在一个实质性的差值，以及如果在获得的姿态和期望姿态之间存在一个实质性的差值，基于所述测量差值调整微调坐标系，使得获得的姿态接近期望的姿态，并且将调整后的微调坐标系保存为该姿态的局部微调坐标系，而如果在获得的姿态和期望姿态之间不存在实质性的差值，则将用于计算该编程姿态的微调坐标系保存为局部微调坐标系。根据本实施例，仅当在期望姿态和所获得姿态之间存在一个显著差值时，才进行微调坐标系的调整，否则不作调整。从而，如果在期望的和获得的姿态之间仅有小的差值，那么该姿态就使用为前一姿态进行调整了的局部微调坐标系。

即使依照前面实施例的微调方法将刀具精确地定位到期望姿态，在用机器人加工工件之后仍然会存在误差。这是有赖于这样一个事实：机器人不是刚性的，而在刀具的力的作用下会发生变形。依照一个本发明的实施例，该方法还包括补偿机器人这种变形的程序，它包括：沿着在一个具有期望几何形状的参照工件上的所述路径测量至少一个姿态，运行用于所述应用的机器人程序，由此刀具加工一个实际工件，沿着在加工后的实际工件上的所述路径测量至少一个相应的姿态，计算在参照工件上所测量的姿态和在加工后的工件上所测量的姿态之间的差值，根据参考工件上的和加工后的工件上的所测量的姿态之间的所述计算的差值调整该姿态的局部微调坐标系，使得加工后的工件上的姿态接近参照工件上的姿态，存储该姿态的调整后的局部微调坐标系，以及根据该姿态的调整后的局部微调坐标系对该姿态重新编程。由于该微调方法包括一个对微调坐标系的额外调整以及对路径上的姿态的重新编程的步骤，机器人应用的精度得到进一步提高。优选地，测量参照工件上的多个路径姿态和加工后工件上的相应路径姿态，并且根据本发明的该实施例，这些路径姿态的微调坐标系将经历一个额外的调整。

本发明的另外一个目的是提供一种用于调节离线编程的机器人程序的计算机程序产品，以在工件上获得加工结果的更高的精度，其中该机器人程序包括多个编程姿态，该编程确定了一个刀具和一个工件之间的关系。此目的通过一个根据相应的附后的权利要求的计算机程序产品达到，当在一个计算机上运行该计算机程序产品时，它执行根据本发明的方法。该计算机程序能够通过任何计算机可读的介质或例如互联网的网络提供。

容易认识到，根据本发明的、由附后的方法权利要求集所限定的方法适于通过一个计算机程序执行，当该计算机程序在一个处理器单元上运行时它具有相应于发明方法中的步骤的指令。即使没有在权利要求中清楚地表达出来，本发明覆盖了一个计算机程序产品以及根据附后的方法权利要求的方法。

本发明的另外一个目的是提供一个计算机可读的介质，该介质上记录有一个用于微调机器人程序的程序，当所述的程序在计算机上运行时，该程序的目的是使计算机执行上述计算机程序产品的步骤。

该计算机程序产品可以在一个机器人的控制器上运行，或者在任何其它包括一个处理器和合适存储器的计算机上运行。

附图说明

现在将通过描述本发明的不同实施例并参考附图更详细地解释本发明。

图1显示了一个工业机器人的应用和在该应用中定义的坐标系。

图2a-c显示了期望姿态和在执行一个程序指令后获得的姿态之间的差值。图2b-c显示了沿着图2a中线A-A的截面视图。

图3显示了一个数字化仪及其坐标系。

图4和5解释了微调所必需测量是如何根据本发明的实施例完成的。

图6显示了根据本发明实施例的微调坐标系的进一步调整。

图7显示了如何能用机器人来进行测量。

图8显示了当工件由机器人操纵并且刀具固定在空间内时的微调。

图9显示了由一个安装在工件上的数字化仪完成的测量。

图10显示了当向机器人程序姿态叠加一个偏移时由数字化仪完成的测量。

具体实施方式

选择来描述根据本发明的方法的机器人应用是机械加工，但该方法也能够用于需要高精度的任何类型的应用。

图1示出了一个机器人应用，它包括一个工业机器人1、一个安装在机器人上的刀具2和一个要由刀具加工的工件3。工件3连接到一个夹具4上。机器人1包括一个基座6，该基座牢靠地安装在一个底座上。该机器人还包括一个支撑件7，该支撑件7可相对于基座6绕着一个第一竖直轴线旋转。在支撑件7的上端，一个第一机械臂8安装成绕着一个第二水平轴线可旋转。在第一机械臂的外端，一个第二机械臂9相对于第一机械臂安装成绕着一个第三轴线可旋转。第二机械臂9相对于该臂的内部件安装成绕着一个第四轴线可旋转。第二机械臂9在其外端支撑了一个所谓的机械手10，该机械手10可绕着一个第五轴线旋转，而第五轴线垂直于第二机械臂9长度方向的轴线。机器人还包括一个刀具架11。机械手的外部件及刀具架11相对于机械手的内部件可绕着一个第六轴线旋转。

该机器人还包括一个控制器12用于控制机器人的运动。控制器包括至少一个用于执行机器人程序指令的处理器和用于存储机器人程序的存储器。

本发明的方法最重要的是对机器人应用进行微调所使用的不同的坐标系。机器人本身的位置通常由一个机器人基座坐标系来描述，该坐标系具有原点Orb和轴Xrb、Yrb和Zrb。机器人基座坐标系位于机器人的基座6上。此外，一个机器人刀具坐标系Ort、Xrt、Zrt、Yrt定义在刀具2的中心点(TCP)上。一个原点为Oo、轴为Xo、Yo、Zo的工件坐标系定义在工件上。刀具坐标系、工件坐标系和机器人基座坐标系之间的关系通过对这些坐标系的校准而获知。

机器人的任务是沿着定义了姿态P1-P8的一个路径移动刀具2。一个姿态确定了刀具坐标系在程序执行过程中必须获得的位置和方向。由此，每个编程姿态确定了刀具坐标系Ort在工件坐标系Oo中的姿态。然而，当运行机器人程序时，刀具实际获得的姿态会与期望姿态P1-P8有某些程度的偏离。

本发明的目的是以这种方式微调一个离线生成的机器人程序：在机器人程序运行时获得的刀具姿态尽可能地接近工件上的期望刀具姿态P1-P8。为此目的，提供了一个具有期望几何构形的参照工件。然后能够测量获得的刀具姿态和参照工件上的期望刀具姿态之间的差值。例如，参照工件是一个在CNC机床上以高精度铣削出来的工件。一个例如数字化仪或机器人本身的位置测量单元用来进行该测量。

为了进行这种微调，引入了一个原点为Oft、轴为Xft、Yft和Zft的微调坐标系。微调坐标系Oft和工件坐标系之间的关系是确定的。由于工件坐标系相对于机器人基座坐标系是已知的，微调坐标系相对于机器人基座坐标系将是已知的，并且机器人可以在机器人程序中确定编程姿态时使用该坐标系。在此实施例中，微调坐标系与工件坐标系不同，但也可以将工件坐标系用作微调坐标系。在另外一个实施例中，还可以将微调坐标系用作局部刀具坐标系。

选择路径上的多个编程的姿态用于微调。可以选择所有的编程姿态，或者仅选择一些姿态。选定的姿态之间的距离应当足以获得微调的必需精度。在这里描述的实施例中，选择所有的编程姿态P1-P8用于微调。所选定的编程姿态P1-P8在局部调整后的微调坐标系Oft中计算。

图2a-c解释了根据本发明一个实施例的微调。使用一个参照工件15来测量获得的姿态和期望姿态之间的差值。微调坐标系Oft相对于工件坐标系Oo定义。存在一个机器人程序，其包括对于工件上的编程姿态P1-P8的指令。编程姿态P1在微调坐标系Oft中计算。从而，在微调坐标系中计算的、编程姿态P1的机器人指令由机器人执行。图2a和2b显示了在程序指令执行完后的刀具姿态。如图2b所示，在所获得的姿态和期望姿态之间存在差值，因为刀具2是倾斜的并且与参照工件15有一段距离。

图2c显示了刀具2相对于工件15的期望姿态。期望姿态和获得的姿态之间的差值得以确定。该差值可通过在位置上的微小偏移和对微调坐标系Oft进行微小旋转而得到补偿。在图2c中显示了如何通过调整微调坐标系Oft到一个新的微调坐标系Oft’而获得刀具2的期望姿态。然后根据获得的姿态和期望姿态之间所确定的差值对微调坐标系Oft进行调整使得获得的姿态接近期望姿态。调整后的微调坐标系Oft’存储为姿态P1的局部微调坐标系。在每个随后的姿态P2-P8中，相对于参照工件来测量获得的刀具姿态和期望刀具姿态之间的差值。此差值通过调整前一姿态的微调坐标系得以补偿，使得获得的姿态接近该期望姿态。调整后的微调坐标系存储为该姿态的局部坐标系。

因此，为了补偿测量误差，为实际的姿态定义一个局部微调坐标系，并且改变该局部微调坐标系的位置和方向以补偿所确定的刀具姿态误差。当机器人刀具从一个编程姿态移动到下一个时，机器人程序中使用了前一姿态的局部微调坐标系。这意味着如果刀具姿态误差在两个连续姿态中相同，那么它们将在机器人程序中共用同样的局部微调坐标系。在最坏情况下，微调针对每个程序姿态产生一个微调坐标系，但通常一个微调坐标系能够由几个编程姿态共用。

刀具姿态差值例如通过用机器人操纵刀具直到刀具到达相对于工件的期望姿态——即图2c所示的姿态来测量。机器人从获得的姿态移动到期望姿态并且在所述移动机器人过程中机器人姿态的改变被记录下来。这可在肉眼观察下完成，但是有时精确度不够好并且如果操作者需要非常接近刀具以观察和减小刀具姿态误差时会存在安全问题。可以替代使用一个例如3D数字化仪的测量单元。利用这种测量单元，可以测量位置甚至方向，这取决于测量单元的自由度的数量和使用的探针类型。数字化仪可以是机械式的或者是光学的，并且如果能接受较低的精确度也可以是基于超声波、磁场和微波(GPS)的3D测量系统。

在图3中显示了一个有六个自由度的数字化仪20，其具有一个数字化仪基座坐标系dB，具有原点Odb和轴Xdb、Ydb、Zdb，以及一个数字化仪工具坐标系dt，具有原点Odt和轴Xdt、Ydt、Zdt。图中的工具是一个用于位置测量的测量探针22，而另外也可以使用在图中示出的具有一个固定板25的探针24以探测位置和倾角，它用在例如当为一个铣削加工面编程时。还可以在数字化仪中放入实际的机器人刀具并且使用数字化仪为机器人路径编程并校准工件坐标系和机器人的工具坐标系。然而，在此情况下，使用数字化仪以对机器人程序中的刀具姿态进行微调而进行测量。

现在将参考图4和5解释在工件上铣出一个曲面的情况下，如何根据本发明的实施例利用一个例如数字化仪的测量单元进行测量。如图4，该机器人被编程为以一个铣刀2铣削加工该表面。为获得铣削加工的高精度，铣刀2的位置和方向必须相对于要进行铣削加工的工件非常精确。接下来描述如何获得这种精度。包括多个刀具姿态的机器人程序借助于机器人或一个数字化仪进行编程。编程姿态被定义于该微调坐标系中。一个已经高精度铣削加工的参考工件15设置在机器人1和数字化仪20附近。使用数字化仪20用来在参考工件15的铣削加工面上的几个位置26处测量以获得表面的位置和方向，并由此获得待编程的期望的姿态Pi。在图4和5中使用了一个点测量探针22，那么必须至少测量三个点以获得表面的方向(法向矢量方向)。如果替代使用盘形探针，为获得表面方向(表面法向)只需测量一处。所有的测量是在数字化仪基座坐标系中进行的。

机器人或者如图所示带有实际的刀具2，或者带有一个参照刀具，该参照刀具具有为测量而良好形成的表面。在到达机器人路径的第一姿态P1之前机器人程序一直运行。当程序运行时，机器人根据程序指令移动并且刀具获得编程姿态。当刀具2到达编程姿态时，如图5所示用数字化仪测量刀具上的表面或者安装在刀具上的参照结构。参照结构例如是一个平面、一个球或一个圆柱，它们确定了一个锥形或立方形。已知该测量表面和该刀具表面的几何模型之间的几何关系，在测量值和刀具表面的几何模型之间进行最优拟合计算，以获得在数字化仪基座坐标系中的刀具坐标系Xt、Yt、Zt。

在测量值和刀具表面的几何模型之间的最优拟合例如通过几何模型的平移和旋转、借助于最小均方的方法来最小化测量值和模型表面之间的距离来进行。可选地，其他最优化算法，例如高斯-牛顿算法，可以代替最小均方的方法。几何模型可以由一个工件的CAD模型给出，或者以解析形式或者以一个例如多边形或样条函数的近似形式给出。在是立方体的情况下，数学模型是立方体平面的方程。

计算在测量的刀具坐标系Xt、Yt、Zt的位置与方向和参照结构表面上的测量的姿态Pi的坐标系Xpi、Ypi、Zpi的位置与方向之间的差值。姿态Pi的位置由数字化仪直接在参照工件表面上测量，而姿态Pi的方向信息通过在靠近期望位置Pi的工件表面上测量至少多于两个的位置而获得。如果使用如图3所示的探针25，当把板25压靠在工件表面上时可直接从数字化仪获得方向。此后对微调坐标系Xft、Yft、Zft作出相应调整，从而获得一个调整后的微调坐标系Xft’、Yft’、Zft’。

调整后的微调坐标系存储为该姿态的一个局部微调坐标系。机器人程序指令中的姿态被重新编程以使其基于新的调整后的局部微调坐标系。当执行路径中下一姿态的接下来的机器人移动指令时，仍然可以使用该新的局部微调坐标系。对下一姿态重复进行上述测量。如果现在期望姿态和获得的姿态之间的差值很小，将前一姿态的局部微调坐标系用于该姿态，否则计算一个新的调整后的微调坐标系并且将其保存为该姿态的局部微调坐标系，并且用于对该姿态重新编程。对于所有的编程姿态重复进行此微调算法，直到路径结束。

微调的结果在图5中右侧的小图中显示。刀具坐标系的期望位置和方向以坐标系Xpi、Ypi、Zpi描述，而当运行机器人程序时获得的坐标系的姿态以Xt、Yt、Zt给出。通过测量获得的姿态和期望姿态之间的差值并且移动和旋转微调坐标系以补偿姿态误差，刀具将更靠近期望的位置和方向。

即使通过上述微调方法使刀具精确地位于期望位置，在用机器人铣削加工后仍然会存在误差。这是因为机器人不是刚性的，而是是会在刀具的力的作用下变形。为对此进行补偿，使用了一个将参考图6进行描述的方法。根据图4和5使用数字化仪在一个参照工件15上的几个点26处测量铣削加工表面并且数字化仪的基座坐标系不发生移动是先决条件。现在一个实际未加工的工件3安装在其夹具4上，并且机器人1以根据上述方法微调后的机器人程序进行铣削加工。在铣削加工后使用数字化仪在实际工件3的铣削加工表面上测量多个点27。针对每个编程姿态计算在实际工件3的铣削加工表面和参照工件15的表面之间的位置和方向的差值。调整局部微调坐标系Xftl、Yftl、Zftl以补偿该计算出的差值。调整后的局部微调坐标系保存为新的局部微调坐标系Xftl’、Yftl’、Zftl’。如果两个姿态具有相同的局部微调坐标系，若需要，为两个姿态中的一个计算一个新的局部微调坐标系。

现在针对一个新的工件，使用机器人程序内的新的局部微调坐标系来运行机器人程序。上述测量和计算不断重复，并且如果现在差值对于应用来说足够小，那么利用前面存储的微调坐标系对路径重新编程，否则就计算新的调整后的局部微调坐标系以改善补偿。

图7显示了可用机器人1本身来首先在参照工件上、然后在由机器人铣削加工的工件上进行测量。使用机器人测量的优点是它可以自动进行。测量探针22可如刀具那样操作，例如通过一个刀具交换器在机器人上自动安装和拆卸。

图8显示了当工件3由机器人操纵并且一个刀具28固定在机器人单元上时进行的微调。由于现在是微调坐标系Xft、Yft、Zft移动并且刀具坐标系固定，该方法有一些变化。一个参照工件15安装在机器人上。参照表面定义在工件表面上，或者相对于工件固定。或者在工件本身上寻找合适的参照表面，或者一个具有良好形成表面的参照结构安装在工件上。在此实施例中，一个立方形的参照结构32安装在工件上。

刀具坐标系Xt、Yt、Zt的位置和方向借助于数字化仪20测量，例如，通过对刀具28的参照表面、或者对安装在刀具上的一个参照结构的参照表面或者在一个参照刀具的参照表面进行测量。测量值用于最优拟合参照表面或者参照结构的几何模型。然后，在已知了参照结构的几何构形和刀具坐标系的关系时，刀具坐标系的位置和方向可以在数字化仪基座坐标系中计算。在图9中，一个锥形的参照结构32安装在刀具上，以通过锥形几何模型和锥形表面上的测量点之间的最优拟合获得刀具坐标系。

路径姿态P1-P8由数字化仪编程。从而，数字化仪在编程过程中测量工件上的期望姿态。相对于工件或参照结构30的表面的几何模型确定一个微调坐标系Xft、Yft、Zft。相对于该确定了的微调坐标系计算编程姿态。机器人程序运行到路径的第一姿态，随后工件移动到第一姿态P1。通过在参照表面上或在工件上的参照结构30上测量多个点并且通过对相应的参照表面或参照结构30进行最优拟合，来相对于数字化仪确定工件的位置。数字化仪执行该测量。由于路径姿态和参照结构之间的关系已知，能够计算所获得的编程姿态。如果计算的编程姿态偏离了由数字化仪编程的姿态，就调整微调坐标系以减小偏离。调整后的微调坐标系存储为该姿态的局部微调坐标系。

此后，机器人运行到下一个编程姿态并且相对于微调坐标系测量该姿态。在前一姿态的微调坐标系中计算该姿态，并且如果该姿态与由数字化仪确定的姿态偏离太多，那么就为该姿态确定一个新的微调坐标系，并且通过调整该新的微调坐标系补偿误差。调整后的微调坐标系存储为该姿态的局部坐标系。如果姿态偏离很小，将前一姿态的同样的微调坐标系用于该姿态。重复该过程直到编程路径到达末端。

图9显示如果数字化仪安装在工件上，该测量将和图5相同。当机器人移动工件3时，数字化仪的基座坐标系Xdb、Ydb、Zdb将跟随该移动并且在工件上的路径姿态P1-P8将相对于数字化仪坐标系一直不变。相反，以刀具坐标系Xt、Yt、Zt将相对于数字化仪基座坐标系移动。对于机器人程序中的每个姿态，数字化仪测量刀具坐标系，并且由于工件上的期望姿态已经由数字化仪在编程过程中测量，将能够测量在机器人运行程序时刀具获得的姿态与工件上的期望姿态之间的差值。

在图9中，参照结构32安装在刀具上，以通过圆锥表面和圆锥几何模型上的测量点的最优拟合获得刀具坐标系。然后，由于已知圆锥和刀具坐标系之间的关系，刀具坐标系能够在数字化仪基座坐标系中计算。注意在图中仅使用了三自由度的数字化仪。当然在此情况下也可使用有六自由度的数字化仪。在此情况下一个问题将会是可能刀具上的参照结构和工件之间存在碰撞。因此，应当由工件表面向外的一个偏移值生成微调机器人程序。之后，当微调结束后去掉该偏移值。

当机器人程序已经借助于参照工件而进行了微调之后，参照工件被代之以一个原料(未加工的)工件并且运行该微调机器人程序。然后可以用数字化仪测量工件上加工过的部分，并且根据图6，通过调整微调坐标系可以对路径进行一个新的修正。在图9所示的应用中，刀具的方向可能不重要，那么通常只调整微调坐标系的位置就足够了。

应当指出，能够定义几个工件坐标系并且将它们用作微调坐标系。然而，通常在一个工件上存在几条路径，那么使工件坐标系处理工件的总体几何构形和不同路径的局部姿态调整两者将是困难的。在稍后的阶段，还可能在机器人程序中借助于微调坐标系重新计算单个姿态，这使得能够在工件坐标系中对工件进行微调之后表达编程姿态。

先前已经指出，在机器人程序姿态中叠加了一个偏移，以便能够在运行程序时，刀具上的参照结构不与工件发生碰撞。如果用刀具在工件上铣、磨、或钻加工内部结构，这会更加重要。这例示于图10中，其中对一个半径为R的铣轮35进行编程以铣削加工工件内的一个圆柱孔36。

现在将结合图10描述这种情况下的过程。在一个参照工件的精确加工的孔38内，由一个数字化仪20对刀具姿态编程。该数字化仪测量孔38在圆柱形内表面上的几个点40以便能够确定刀具35的方向和位置。由数字化仪的测量值可生成一个机器人程序，其中带有由数字化仪确定的刀具位置和方向。沿圆柱中心轴线方向的偏移值d被叠加到每个编程姿态上。带有偏移值的程序由机器人运行，该机器人带有参照刀具、或者安装了一个参照结构42的实际刀具、或者由刀具几何构形本身所确定的参照结构。对于机器人程序中的每个或一些姿态pj，机器人都停止并且使用数字化仪在刀具参考结构42上的表面上测量。由这些测量值和参照结构的几何模型进行最优拟合，并且在数字化仪基座坐标系Xdb、Ydb、Zdb中计算刀具坐标系Xt、Yt、Zt。

现在计算在叠加偏移后在圆柱孔内的姿态上的期望刀具坐标系和测量的刀具坐标系姿态之间的差值。如果该差值过大，计算一个对于该姿态的微调坐标系以补偿该姿态差值。和以前一样，当运行机器人到程序的下一姿态时将使用该微调坐标系Oft。如果在程序的下一姿态，该测量到的差值很小，与前一编程姿态相同的微调坐标系也将用于该姿态，否则将确定一个新的微调坐标系以补偿姿态误差。然后通过从微调程序中去掉该偏移值而生成真实的程序。

优选地，机器人运行该带有一个垂直于参照工件表面的偏移值的该机器人程序。偏移应当越小越好，但是不能小于能够用数字化仪测量刀具姿态的值。如果能够在用数字化仪编程之后不移动数字化仪基座就能拆卸工件，那么通常无需在微调过程中运行该带有偏移值的机器人程序。

本发明不限于公开的实施例，而是可以在下列权利要求范围内改变或改进。例如，方法中的步骤的顺序可以不同于这里描述的步骤的顺序。例如，微调坐标系可相对于机器人基座坐标系、刀具坐标系、工件坐标系或本应用中的任何其他坐标系定义。

Claims (20)

1、一种用于微调机器人程序的方法，该机器人程序用于一个包括一个工业机器人、一个刀具和一个工件的机器人应用中，该工件将由该刀具沿着一个包括位于工件上的多个期望姿态的路径进行加工，该机器人程序包括多个程序指令，该程序指令包括相应于该期望姿态的编程姿态，其中该方法包括：

a)定义一个微调坐标系，

b)选择一个所述的编程姿态，

c)在该微调坐标系中计算所述选定的姿态，

d)在该微调坐标系中为所述选定的姿态产生一个或多个程序指令，

e)由该机器人运行所述一个或多个程序指令，

f)确定在运行所述一个或多个程序指令后所获得的姿态和期望姿态之间的差值，

g)根据所述差值调整该微调坐标系，使得所获得的姿态接近该期望姿态，

h)在调整后的微调坐标系中为所选定的姿态产生一个或多个程序指令，

i)对于至少另一个编程姿态重复步骤b至h。

2、如权利要求1所述的方法，包括将所述调整后的微调坐标系存储为该姿态的局部微调坐标系，在其中对于路径上的下一姿态重复步骤b至h，并且包括：在前一姿态的局部微调坐标系中为所述下一编程姿态计算和产生一个或多个程序指令，运行该程序指令到达所述下一编程姿态，确定所获得的下一姿态和期望的下一姿态之间的差值，调整该前一姿态的局部微调坐标系的拷贝使得该下一获得的姿态接近该期望姿态，并且将调整后的局部坐标系的拷贝存储为所述下一姿态的局部微调坐标系。

3、如权利要求1所述的方法，其中确定所获得的姿态和期望姿态之间的差值的步骤包括：将该机器人从所获得的姿态移动到期望姿态，并且记录在所述移动机器人过程中机器人姿态的变化。

4、如权利要求1所述的方法，其中步骤f包括借助于一个位置测量单元测量所述刀具所获得的姿态和该刀具在所述工件上的期望姿态，并且将所获得的和期望的姿态之间差值计算为所述测量单元的测量值之间的差值。

5、如权利要求1所述的方法，其中该方法包括向所述编程姿态叠加一个偏移距离，运行该程序指令到达叠加了该偏移距离的所选姿态，并且在执行步骤i之前去掉该偏移距离。

6、如权利要求1和4所述的方法，其中所述偏移距离对应于一个足够大的距离，以能够用所述位置测量单元在所述刀具和工件之间测量。

7、如权利要求2所述的方法，其中包括检查在所获得的姿态和期望姿态之间是否存在一个实质性的差值，并且如果在所获得的和期望的姿态之间存在一个实质性的差值，基于所述测量到的差值对所述微调坐标系进行调整，使得所获得的姿态接近期望姿态，并且将调整后的微调坐标系存储为该姿态的一个局部微调坐标系，而如果在所获得的和期望的姿态之间不存在一个实质性的差值，用于计算编程姿态的该微调坐标系被存储为局部微调坐标系。

8、如权利要求1所述的方法，其中所述微调坐标系定义为一个工件坐标系，该工件坐标系定义为相对于该工件固定。

9、如权利要求1所述的方法，其中所述微调坐标系相对于一个与所述刀具以固定关系定义的刀具坐标系定义，并且该微调坐标系用作一个局部刀具坐标系。

10、如权利要求1所述的方法，其中所述微调坐标系定义为一个路径坐标系。

11、如权利要求1所述的方法，其中所述微调坐标系定义为一个与该选定姿态具有相同方向和位置的坐标系。

12、如权利要求1所述的方法，其中该方法还包括：

沿着位于一个具有期望几何构形的参照工件上的所述路径测量至少一个姿态，

运行所述应用的机器人程序，由此所述刀具加工一个实际工件，

沿位于该被加工的真实工件上的所述路径测量至少一个相应的姿态，

计算该参照工件上的测量姿态和被加工工件上相应的测量姿态之间的差值，以及

根据该计算得到的参照工件上的和被加工工件上的测量姿态之间的差值调整该姿态的局部微调坐标系，使得被加工工件上的姿态接近该参考工件上相应的姿态，

存储该姿态的调整后的局部微调坐标系，以及

基于该姿态的调整后的局部微调坐标系为该姿态产生一个或多个新的程序指令。

13、如权利要求12所述的方法，其中该方法包括：沿着该参照工件上的所述路径测量多个姿态，沿着被加工的实际工件上的所述路径测量多个相应的姿态，计算参照工件上所测量的姿态和被加工工件上相应的测量姿态之间的差值，并且根据计算得到的参照工件上的和被加工的实际工件上的测量姿态之间的差值，针对每个所测量的姿态调整局部微调坐标系，存储这些姿态的调整后的局部微调坐标系，并且基于这些姿态的调整后的局部微调坐标系为该姿态产生一个或多个新的程序指令。

14、如权利要求1所述的方法，其中所述的期望姿态通过在一个具有期望几何构形的参照工件上进行测量而获得。

15、一种用于微调机器人程序的计算机程序产品，该机器人程序用于一个包括一个工业机器人、一个刀具和一个工件的机器人应用中，该工件将由该刀具沿着一个包括工件上的多个期望姿态的路径加工，该机器人程序包括多个程序指令，该程序指令包括相应于期望姿态的编程姿态，其中该计算机程序产品包括程序指令，这些程序指令被加载到一个计算机中时，导致该计算机执行：

a)接收该编程姿态，

b)接收有关一个微调坐标系的信息，

c)选择一个所述的编程姿态，

d)在该微调坐标系中计算该选定的姿态，

e)在该微调坐标系中为该选定的姿态产生一个或多个程序指令，

j)命令执行所述一个或更多程序指令，由此将该机器人移动到所选定的姿态，

f)确定该获得的姿态和期望姿态之间的差值，

g)根据所述差值调整该微调坐标系，使得所获得的姿态接近该期望姿态，

h)将调整后的微调坐标系存储为该选定姿态的局部微调坐标系，以及

i)在调整后的微调坐标系中为所选定的姿态产生一个或多个程序指令，

j)对至少另一个的编程姿态重复步骤c至i。

16、如权利要求15所述的计算机程序产品，包括：将所述调整后的微调坐标系存储为所选定姿态的局部微调坐标系，并且对路径上的下一姿态重复步骤c至i，其中在步骤d、e和g中将前一姿态的局部微调坐标系用作下一姿态的微调坐标系。

17、如权利要求15所述的计算机程序产品，包括：接收所获得的姿态或期望姿态的测量值，并且通过计算在所述测量值和该编程姿态之间的差值确定在所获得的姿态和期望姿态之间差值。

18、如权利要求17所述的计算机程序产品，包括：接收来自一个位置测量单元的所获得的姿态的测量值，并且通过计算所获得的姿态的所述测量值和编程姿态之间的差值确定所获得的姿态和期望姿态之间差值。

19、如权利要求17所述的计算机程序产品，包括：在执行所述指令之后接收机器人姿态，并且通过计算所接收的机器人姿态和编程姿态之间的差值确定所获得的姿态和期望姿态之间差值。

20、一种其上记录有一程序的计算机可读介质，该程序用于微调一个机器人程序，其中当所述程序在计算机上运行时，该程序使得该计算机执行如权利要求15至19中任一项所述的程序的步骤。

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