DE19539709C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Betrages der Bewegung eines Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Be­ trages der Bewegung eines Körpers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine bevorzugte, aber nicht ausschließliche Anwendung des Verfahrens und der Vor­ richtung ist die Bestimmung des Winkelbetrages der Drehung eines Körpers, z. B. der Drehung eines Werkzeugs zum Fest­ ziehen von Schraubverbindungen.

In vielen Fällen ist es erforderlich, den Betrag einer li­ nearen Bewegung oder Drehbewegung eines Körpers quantitativ zu bestimmen. Alle bisher bekannten Verfahren zur Messung der Bewegungsstrecke oder des Drehwinkels eines Körpers benötigen einen ortsfesten Bezugspunkt oder einen ortsfe­ sten Bezugsmaßstab, in Relation zu welchem die sich ändern­ de Position des Körpers festgestellt werden kann. Die per­ manente oder zeitweilige Installierung eines ortsfesten Be­ zugspunktes oder Maßstabes bedeutet aber in vielen Fällen einen unerwünschten Aufwand.

Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Erfassung des Drehwinkels eines Schraubenschlüssels. Wenn dieser z. B. mit einem Drehmomentsensor zur Erfassung des beim Festzie­ hen der Schraubverbindung aufgewendeten Drehmoments ausge­ rüstet ist, ist es wichtig, die Relation zwischen dem An­ stieg des Drehmomentes und dem Drehwinkel festzustellen. Zu diesem Zweck muß der Drehwinkel gemessen werden. Hierfür mußte bisher beim Aufsetzen des Drehmomentschlüssels auf die Schraube zusätzlich ein Referenzpunkt gebildet werden, z. B. mit einem neben dem Schraubenschlüssel zu befestigen­ den Stab mit Gegenhalter oder Befestigungsmagnet. Unter me­ chanischer Kopplung mit diesem Referenzpunkt kann dann der Drehwinkel über ein Potenziomenter oder einen Inkremental­ geber gemessen werden. Die Schaffung eines ortsfesten Refe­ renzpunktes macht die Handhabung zeitaufwendig und umständ­ lich.

Es ist bereits versucht worden, den Drehwinkel eines Kör­ pers wie z. B. eines Schraubenschlüssels ohne Verwendung eines festen Bezugspunktes zu messen, beispielsweise mit Hilfe eines an dem Schraubenschlüssel angebrachten Krei­ selkompasses oder eines Beschleunigungssensors. Solche An­ ordnungen sind sehr aufwendig und teuer und arbeiten auch nicht immer mit der erforderlichen Genauigkeit.

Beispiele für die Drehwinkelerfassung eines Kraftschraubers oder Drehmomentschlüssels mittels einer Drehwinkel-Meßein­ richtung, die als mechanischer, optischer oder piezoelek­ trischer Kreisel oder Beschleunigungssensor ausgebildet sein kann, sind in DE 43 43 110 A1 beschrieben.

Aus DE 32 29 343 C2 und DE 40 09 737 C2 sind Anordnungen zum Erfassen der Bewegung eines bewegten Körpers bekannt, die je­ weils eine ortsfeste Abbildungseinrichtung aufweisen, die die Oberfläche des bewegten Körpers auf einen Sensor abbildet. Durch Korrelation der in der Abbildung sichtbar werdenden Oberflächenstrukturen des bewegten Körpers kann der Betrag und/oder die Geschwindigkeit der Bewegung bestimmt werden. Auf ähnlichem Prinzip beruht eine aus GB 2 220 744 A bekannte Anordnung zur berührungslosen Bewegungsmessung eines bewegten Körpers, die zwei Kameras aufweist, die stationär und in Be­ wegungsrichtung des Körpers beabstandet sind. Durch Korrela­ tion der von den Kameras erzeugten Abbildungen der Oberflä­ chenstruktur des Körpers kann dessen Bewegungsstrecke bzw. -geschwindigkeit ermittelt werden. Bei allen diesen bekannten Anordnungen sind stationäre Abbildungssysteme erforderlich, die in fest vorgegebener Beziehung zu einer vorgegebenen Be­ wegungsbahn des Körpers angeordnet sein müssen, um dessen Oberfläche scharf abbilden zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen der Betrag der Bewe­ gung eines Körpers, insbesondere der Winkelbetrag seiner Drehung, ohne Verwendung eines festen Referenzpunktes be­ stimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren und der im Anspruch 6 angegebenen Vorrichtung gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Umgebungs­ licht an den in der Praxis in Frage kommenden Einsatzorten für das Meßverfahren eine räumlich inhomogene, aber zeit­ lich hinreichend konstante Verteilung hat. Ein an dem be­ wegten Körper angebrachter Lichtsensor wird deshalb bei der Bewegung des Körpers eine sich ändernde Intensität des ein­ fallenden Umgebungslichtes messen. Ein zweiter Sensor, der an dem Körper in Bewegungsrichtung hinter dem ersten Sensor mit einem vorgegebenen Abstand bzw. Winkelabstand von die­ sem angeordnet ist, erfaßt ebenfalls während der Bewegung des Körpers die Änderung der Umgebungslichtintensität. Wenn der Körper um einen Betrag bewegt worden ist, der dem Ab­ stand bzw. Winkelabstand zwischen den beiden Sensoren ent­ spricht, gelangt der zweite Sensor an die Stelle, an der sich der erste Sensor befunden hat, und mißt von da an bei der weiteren Bewegung im Umgebungslichtfeld den gleichen Verlauf der Lichtintensität, wie er zuvor vom ersten Sensor gemessen wurde. Durch Vergleich der von den beiden Sensoren gemessen Lichtverläufe können identische Kurvenpunkte in den beiden Verläufen festgestellt und ihnen ein Abstand bzw. Winkelabstand zugeordnet werden, der dem vorgegebenen Abstand oder Winkelabstand der beiden Sensoren auf dem Kör­ per entspricht. Durch ständige Wiederholung des Vergleiches im weiteren Laufe der Bewegung des Körpers kann jedem Punkt des von dem ersten Sensor aufgezeichneten Verlaufs der Lichtintensität ein Wert des Bewegungsbetrages bzw. Dreh­ winkels des Körpers zugeordnet werden.

Das Verfahren benötigt, wie ausgeführt, keinerlei orts­ festen Referenzpunkt, sondern benutzt die jeweils vorhan­ dene räumliche Verteilung des Umgebungslichtes, die in aller Regel hinreichend inhomogen und zeitlich konstant ist. Dies hängt im Einzelfall selbstverständlich von der Lage und Anordnung der vorhandenen natürlichen und künstli­ chen Lichtquellen wie Fenster, Leuchten und dergleichen ab. Sollte im Einzelfall das Umgebungslichtfeld nicht inhomogen genug sein, um einen charakteristischen Signalverlauf wäh­ rend der Bewegung des Körpers zu ergeben, so kann durch zusätzliche Maßnahmen, wie zusätzliche Leuchten oder Blen­ den, die Inhomogenität des Umgebungslichtes verstärkt wer­ den. Solche Maßnahmen dienen aber nur zur Erhöhung der In­ homogenität des Lichtfeldes, aber nicht als ortsfeste Re­ ferenz, so daß es auch auf ihre genaue Lage nicht ankommt.

Es ist denkbar, durch zusätzliche Maßnahmen die Meßempfind­ lichkeit zu erhöhen. Beispielsweise können Sensoren verwen­ det werden, die nur auf einen bestimmten Spektralbereich und/oder eine bestimmte Polarisationsrichtung des Umge­ bungslichtes ansprechen oder mittels geeigneter Blenden nur Umgebungslicht aus einem eng begrenzten Raumwinkelsektor empfangen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeich­ nung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Kopf eines Schraubwerkzeu­ ges zum Festziehen von Schraubverbindungen mit zwei Umgebungslichtsensoren.

Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf der von den beiden Signalen gemessenen Lichtintensität.

Fig. 3 zeigt das Schema einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels des Schraubwerkzeugs von Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Schraubwerkzeug 1, vorzugsweise ein Drehmomentschlüssel, ist an seinem Umfang mit zwei Lichtsensoren 3, 5 versehen, die das Umgebungslicht erfas­ sen. Die beiden Sensoren 3, 5 sind bezüglich der Drehachse 7 des Schraubwerkzeugs 1 in einem vorgegebenen Winkelab­ stand α angeordnet. Von den Sensoren 3, 5 gehen (nicht dar­ gestellt) Leitungen zu einem Signalauswertegerät 9, das bei dem Ausführungsbeispiel am Schraubwerkzeug 1 selbst ange­ ordnet ist. Es kann sich selbstverständlich auch um ein stationäres Auswertegerät handeln, das mit dem Schraubwerk­ zeug 1 durch eine Signalübertragungsleitung oder drahtlos verbunden ist.

Wenn das Schraubwerkzeug 1 um die Achse 7 z. B. in Richtung des Pfeiles 6 gedreht wird, um eine Schraubverbindung fest­ zuziehen, bewegt sich jeder der beiden Sensoren 3, 5 durch das inhomogene Lichtfeld des Umgebungslichtes, dessen räum­ liche Verteilung von den vorhandenen Lichtquellen sowie von abschattenden Gegenständen bestimmt wird. Die von jedem Sensor 3, 5 erfaßte Lichtintensität ändert sich somit wäh­ rend der Drehbewegung des Schraubwerkzeugs 1, so daß jeder Sensor einen zeitlichen Verlauf des Meßsignals erfaßt, wie er in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Wenn sich das Werkzeug 1 um den Winkel α gedreht hat, befindet sich der in Bewegungsrichtung hintere Sensor 5 an der Stelle, wo sich zuvor der vordere Sensor 3 befunden hat. Von diesem Zeitpunkt an ist der von dem zweiten Sensor 5 erfaßte Sig­ nalverlauf (S2 in Fig. 2) identisch mit dem zuvor von dem Sensor 3 erfaßten Signalverlauf S1.

Gemäß Fig. 3 werden die von den Sensoren 3, 5 gelieferten Signale S1 und S2 einer Signalerkennungs- und Vergleichs­ einrichtung 11 zugeführt, die Teil der Auswerteeinerichtung 9 ist. In dieser Vergleichsstufe 11 werden die Signalver­ läufe S1 und S2 gespeichert und miteinander verglichen. Mittels eines geeigneten Rechenprogramms kann die Ver­ gleichseinrichtung 11 feststellen, welche Kurvenabschnitte der Signalverläufe S1, S2 miteinander deckungsgleich sind. Wenn auf diese Weise in dem Signalverlauf S2 des hinteren Sensors ein Punkt B ermittelt wird, von dem an der weitere Kurvenverlauf S2 identisch mit dem beim Punkt A beginnenden Kurvenverlauf S1 des vorderen Sensors ist, dann steht fest, daß sich das Schraubwerkzeug zwischen den beiden Punkten A und B genau um den Winkel α gedreht hat, der dem Winkelab­ stand α zwischen den Sensoren 3 und 5 entspricht. Damit hat auch der mit dem Punkt B zeitgleiche Punkt C der Signal­ kurve S1 von dem Punkt A den Abstand α. Durch ständige Wie­ derholung dieses Vergleichsverfahrens, z. B. mit dem den Punkt C entsprechenden Punkt D der Kurve S2, kann fortlau­ fend jedem Punkt der Signalkurve S1 der zugehörige exakte Wert des Drehwinkels zugeordnet werden. Um zu einer hinrei­ chend genauen Zuordnung der Winkelwerte zu kommen, wird vorzugsweise der Winkelabstand α zwischen den beiden Senso­ ren 3, 5 so gewählt, daß er nur einen kleinen Bruchteil des gesamten Drehwinkels beträgt, über den das Schraubwerkzeug 1 gedreht werden soll. Beispielsweise kann der Winkel α, abweichend von der Zeichnung, im Bereich von 5° oder 10° liegen. Da jedoch jeder Punkt der Signalkurve S2 als Basis für einen Vergleich mit der Signalkurve S1 genommen werden kann, ist mit dem Verfahren im Prinzip auch eine Interpola­ tion der Winkelwerte möglich, die eine Erfassung des Dreh­ winkels mit einer kleineren Auflösung ermöglicht, als es dem Winkelabstand α der beiden Sensoren entspricht.

Das Verfahren erlaubt eine schnelle, problemlose und kon­ tinuierliche Messung des Drehwinkels während der Drehung des Schraubwerkzeugs. Wird gleichzeitig bei der Drehung auch das vom Schraubwerkzeug aufgewendete Drehmoment mit­ tels eines geeigneten Sensors erfaßt, so kann damit jedem erfaßten Drehmomentwert der zugehörige Wert des Drehwinkels zugeordnet und damit eine Drehmoment-/Dreh-winkelkurve auf­ gezeichnet werden. Das Verfahren ist mit sehr einfachen und platzsparenden Mitteln durchführbar, da lediglich die An­ bringung der beiden Sensoren 3, 5 am Werkzeug 1 erforder­ lich ist, und die Installation eines ortsfesten Bezugspunk­ tes unnötig ist. Das Auswertegerät kann entweder gemäß Fig. 1 platzsparend am Werkzeug angeordnet werden oder aber ent­ fernt vom Werkzeug an einer geeigneten Stelle ortsfest auf­ gestellt werden.

Die Erfassung der Lichtintensitätswerte von den beiden Sen­ soren (3, 5) kann in einem Zeittakt erfolgen, der von der Auswerteeinrichtung (9) vorgegeben wird. Auf der Basis die­ ses Zeittaktes und der durch den Kurvenvergleich ermit­ telten Drehwinkelwerte kann dann die momentante Drehge­ schwindigkeit des Werkzeugs ermittelt werden.

Das vorstehend für die Bestimmung eines Drehwinkels be­ schriebene Verfahren kann mutatis mutandis auch für die Be­ stimmung des Betrages einer Linearbewegung eines bewegten Körpers angewandt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bestimmen des Betrages der Bewegung eines Körpers in einer Umgebung, in der eine inhomogene Ver­ teilung von Licht von natürlichen und/oder künstlichen Licht­ quellen vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Körper (1) an zwei Punkten (3, 5), die in der Be­ wegungsrichtung (6) des Körpers in einem vorgegebenen Abstand voneinander liegen, das einfallende Umgebungslicht während der Bewegung gemessen wird, daß die an den beiden Punkten erfaßten zeitlichen Verläufe (S1, S2) der Lichtintensität gespeichert oder aufgezeichnet und miteinander verglichen werden, und daß identischen Kurvenabschnitten der beiden Signalverläufe (1, 2) ein Bewegungsabstand, der gleich dem vorgegebenen Abstand der Punkte (3, 5) ist, zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bewegung eine Drehbewegung und die zu bestimmende Bewegungsstrecke der Drehwinkel ist, und daß der vorgegebene Abstand der beiden Punkte (3, 5) des Körpers (1), an denen das Umgebungslicht erfaßt wird, ein vorgegebener Winkelabstand (α) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vorgegebene Abstand bzw. Winkelabstand (α) der beiden Punkte (3, 5) ein kleiner Bruchteil des gesamtes Weges, über den der Körper (1) bewegt bzw. gedreht wird, ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Lichtintensität an den beiden Punkten (3, 5) in einem vorgegebenen Zeittakt erfolgt und daß aus dem zeitlichen Abstand von identischen Kurvenabschnitten der beiden Sig­ nalverläufe (S1, S2) die Bewegungsgeschwindigkeit ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bewegung des Körpers (1) eine weitere, von seiner Position abhängige Meßgröße, wie das auf den Körper ausgeübte Drehmoment, lau­ fend gemessen und die Meßwerte den gleichzeitig durch die Erfassung des Umgebungslichtes ermittelten Momentanwerten der Bewegungsstrecke zugeordnet werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem längs eines Weges oder Winkelweges bewegbaren Körper (1), zwei Lichtsensoren (3, 5), die an dem Körper (1) so angeordnet sind, daß sie in Richtung der Bewegung mit einem vorgegebenen Abstand oder Winkelabstand (α) hintereinanderliegen und einer an die beiden Sensoren (3, 5) angeschlossenen Auswerteeinrichtung (9) zum laufenden Erfassen, Speichern und Vergleichen der von den beiden Sensoren gelieferten Signalverläufe (S1, S2).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper (1) ein drehbares Werk­ zeug, insbesondere ein Schraubwerkzeug zum Festziehen einer Schraubverbindung, ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkzeug ein Schraubwerkzeug mit Drehmomentsensor ist.