DE3314089C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßanordnung zur Ermittlung der relativen Lage eines Meßkörpers gegenüber einem Referenzkörper aus den Signalen positionsempfindlicher Empfangsdioden, denen jeweils eine Lichtquelle zugeordnet ist und wobei die Zahl der erfaßbaren Freiheitsgrade von der Zahl der positionsempfindlichen Emfangsdioden abhängt.

Systeme mit mehr als drei Freiheitsgraden kommen bei den Endstücken, insbesondere den Greifköpfen von Handhabungsgeräten vor, die zum Aufnehmen oder Abgeben von Gegenständen oder zur programmierten Durchführung von Fertigungsschritten eingerichtet sind. Bei diesen Geräten, die auch als Industrieroboter bezeichnet werden, sind Prüfmittel notwendig, die es erlauben, die Positioniergenauigkeit im Zusammenhang mit einer eindeutigen Referenzpunktbestimmung des gesamten Handhabungssystems zu bestimmen und zu überprüfen.

In der US-PS 43 16 329 ist eine optoelektronische Meßanordnung mit einer oder mehreren Lichtquellen und analog anzeigenden, positionsempfindlichen Empfangsdioden als Meßsignalgeber zur Beschreibung der Lage eines Meßkörpers in einem aus zwei Koordinatenachsen und bis zu drei Drehwinkeln bestehenden fünfdimensionalen Koordinatensystem beschrieben. Wie jedoch aus der Beschreibung hervorgeht, ist das System auf fünf Freiheitsgrade beschränkt. Der sechste Freiheitsgrad kann nicht erfaßt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Meßanordnung zu schaffen, mit der die Lage des Meßkörpers in sechs Dimensionen, nämlich in drei Translations- und drei Rotationsdimensionen, angebbar ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß an dem Referenzkörper drei, jeweils zweidimensional messende und durch ihre Flächennormale ein räumliches Koordinatensystem aufspannende positionsempfindliche Empfangsdioden angeordnet sind, auf die im Ruhezustand der Meßanordnung vom Meßkörper aus drei Lichtbündel senkrecht gerichtet sind und aus deren Signalpaaren sechs Lagesignale entsprechend den sechs Freiheitsgraden des Meßkörpers angebbar sind.

Weiterbildungen der Erfindung enthalten die Ansprüche 2 bis 9.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung gestattet die Durchführung der nachfolgend aufgeführten Arbeiten und Prüfungen an Handhabungsgeräten:

• - Untersuchung der Eigenschaften von Prototypen, z. B. von Industrierobotern,
• - Abnahme von mehrachsigen kinematischen Geräten beim Hersteller,
• - eindeutige Referenzpunkt-Festlegung der Gesamtkinematik von entsprechenden Geräten beim Hersteller oder Anwender,
• - Abnahme von Handhabungsgeräten am Aufstellungsort,
• - Überprüfen der Geräte nach längerer Betriebszeit einschließlich Feh­ lersuche beim Anwender,
• - Fehlerkompensation nach Komponenten- oder Systemtausch.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung von Sende- und Empfangsdioden, und

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung einer Meßanordnung.

In der Prinzipdarstellung der Fig. 1 senden drei Sendedioden 1, die räumlich gleichmäßig voneinander angeordnet sind, je einen Lichtstrahl 2 einer kohärenten Lichtquelle - beispielsweise einer Laserlichtquelle - auf jeweils gegenüberliegend angebrachte Empfangsdioden 3. Die Lichtstrahlen 2 sind durch Linsen 4 so fokussiert, daß sie auf den Empfangsdioden 3 einen scharf begrenzten Lichtpunkt 5 erzeugen. Die Empfangsdiode 3 weist eine senkrecht zum Lichtstrahl 2 ange­ ordnete Empfangsfläche 6 auf. Im Ruhezustand der Anordnung ist der Lichtpunkt 5 in der Mitte der Fläche 6, die Nullpunkt eines gedachten Koordinatensystems mit der Abszisse x und der Ordinate y ist. Die Bestimmung des Ortes des Lichtpunktes 5 im Koordinatensystem kann z. B. so durchgeführt werden, daß der Stromverlauf über die Fläche 6 gemessen und integriert wird, wodurch eine Schwerpunktsbestimmung der Ausleuchtung erfolgt.

In der vereinfacht dargestellten praktischen Ausführungsform einer Meßanordnung 10 sind drei Sendedioden 1 auf dem Mantel eines Meßkegels 11, der einen Kegelwinkel von 90° aufweist, so angeordnet, daß sie auf einer zu der Grundfläche des Kegels 11 parallelen Ebene 11 a in glei­ chen Abständen liegen. Die Achsen der Sendedioden 1 treffen sich dabei in einem Punkt 11 b auf der Kegelachse 11 c. Gegenüber den Sendedioden 1 sind die Empfangsdioden 3 an einem Meßkäfig 12 angebracht, der den Meßkegel 11 umschließt. Der Meßkegel 11 wird durch sowohl am Meßkä­ fig 12 als auch am Meßkegel 11 befestigte, die Sendedioden 1 und die Empfangsdioden 3 umhüllende Federbälge 13 elastisch in annähernder Null­ lage gehalten. In der Gesamtdarstellung der Meßanordnung 10 in der Fig. 2 ist eine der Meßkomponenten, bestehend aus der Sendediode 1, der Empfangsdiode 3 und dem Federbalg 13, der Anschaulichkeit halber um 60° versetzt dargestellt.

Die Meßanordnung wird von einem allseitig bewegbaren Handhabungsge­ rät 14 gehalten, das mit Greifern 15 a einer Kupplung 15 einen hinte­ ren Flansch 11 d des Meßkegels 11 umfaßt. Zur Vermeidung von Beschädi­ gungen der Meßanordnung 10 beim automatischen Heranfahren der Greifer 15 a an den Flansch 11 d ist an dem Meßkäfig 12 ein Schutzring 9 ange­ setzt, der mit einem Labyrinth zur Positionseinfädelung versehen ist und der bei Berührung durch den Greifer 15 a eine Stromunterbrechung in der Steuerung des Handhabungsgerätes 14 veranlaßt. Wenn nun bei der Überprüfung des Referenzpunktes oder bei einer Fehlersuche in der Steuerung des Handhabungsgerätes 14 der Meßkegel 11 sich außerhalb der Nullage befindet, treffen die Lichtstrahlen 2 von einer oder meh­ reren Sendedioden 1 nicht mehr auf den Koordinatenmittelpunkt der Fläche 6 der zugehörigen Empfangsdioden 3. Es werden dann Signale von den Empfangsdioden 3 über Leitungen 16 zu einer Auswerteeinheit 17 übertragen und je Empfangsdiode 3 zu x-, y-Koordinaten entspre­ chend der Stellung des jeweiligen Lichtpunktes 5 auf der Fläche 6 um­ gewandelt (siehe auch Fig. 1). Die ermittelten x-, y-Koordinaten werden daraufhin an einen Auswerterechner 18 übertragen, der aus dem durch die Koordinaten x und y gegebenen Istzustand der Stellungen der Sendedioden 1 Translationsvektoren für eine Koordinaten-Korrektur er­ mittelt und die Korrekturwerte über eine Leitung 22 in eine Steuer­ einheit 21 eingibt, die die Kupplung 15 über eine Leitung 23 und von dieser über mechanische Mittel zu einer Korrekturbewegung des Meß­ kegels 11 veranlaßt. Dieser Korrekturvorgang wiederholt sich so oft, bis die exakte Nullage des Meßkegels 11 oder zumindest ein vorge­ gebenes Toleranzfeld um die Nullage erreicht ist. Die Sendedioden 1 können auch von einer in der Greiferkupplung 15 angeordneten kohärenten Lichtquelle 20 ersetzt werden.

Claims (9)

1. Optoelektronische Meßanordnung zur Ermittlung der relativen Lage eines Meßkörpers gegenüber einem Referenzkörper aus den Signalen positionsempfindlicher Empfangsdioden, denen jeweils eine Lichtquelle zugeordnet ist und wobei die Zahl der erfaßbaren Freiheitsgrade von der Zahl der positionsempfindlichen Empfangsdioden abhängt, gekennzeichnet durch drei am Referenzkörper (12) angeordnete, jeweils zweidimensional messende und durch ihre Flächennormale ein räumliches Koordinatensystem aufspannende positionsempfindliche Empfangsdioden (3) auf die im Ruhezustand der Meßanordnung vom Meßkörper (11) aus drei Lichtbündel (2) senkrecht gerichtet sind und aus deren Signalpaaren (x′, y′) sechs Lagesignale entsprechend den sechs Freiheitsgraden des Meßkörpers (11) angebbar sind.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Laserdioden zur Erzeugung der Lichtstrahlen (2) oder durch eine kohärente Lichtquelle (20), deren Licht durch Lichtleiter oder Lichtleiter-Optiken zu den Empfangsdioden (3) geleitet wird.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsdioden (3) in einem um den Meßkörper (11) herum befindlichen, als Referenzkörper dienenden Meßkäfig (12) angeordnet sind und im Ruhezustand der Meßanordnung die optische Achse der Lichtbündel (2) jeweils mit einer Koordinatenachse zusammenfällt, die durch den Mittelpunkt der dieser Koordinatenachse zugeordneten Empfangsdiode (3) geht.

4. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsdioden (3) Quadranten-, Matrix- oder Lateraleffektdioden sind.

5. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (11) und der Meßkäfig (12) durch elastische Elemente miteinander verbunden sind.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Elemente jeweils gegenüberliegende Lichtsender (1) und Empfangsdioden (3) staub- und wasserdicht umschließende Federbälge (13) sind.

7. Meßanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Meßkörper (11) ein Handgriff angeordnet ist und die von den Empfangsdioden (3) erzeugten, eine Translation und eine Rotation darstellenden drei Signalpaare (x′, y′) zur Fernsteuerung eines Handhabungsgerätes (14) dienen.

8. Meßanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Meßkörper (11) ein Flansch ( 11 d) für den Eingriff einer Kupplung oder eines Greifers (15 a) eines mehrachsigen Handhabungsgerätes (14) angeordnet ist.

9. Meßanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Empfangsdioden (3) erzeugten drei Signalpaare (x′, y′) durch eine Auswerteinheit (17) und einen Auswertrechner (18) zu Korrekturenwerten umgerechnet und einer mehrachsigen Steuereinheit (21) des Handhabungsgerätes (14) zugeführt werden.