DE3612146A1

DE3612146A1 - Verfahren und einrichtung zur weglaengenmessung

Info

Publication number: DE3612146A1
Application number: DE19863612146
Authority: DE
Inventors: Rolf Hinkel; Theo Dipl Ing Doll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1987-10-29

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Weglängen messung mit hoher Auflösung für den Nahbereich insbesondere zur Po sitionsmessung von Stellgliedern. Die Erfindung fällt in das Gebiet der berührungslosen Wegmessung.

Zugrunde liegender Stand der Technik

Bei bekannten Verfahren zur Messung von kleinen Wegen wird durch mechanische Kopplung eine elektrische Größe, beispielsweise ein Widerstand oder eine Induktivität, verändert und dann elektronisch ausgewertet.

Diese Lösungen sind aufgrund der mechanischen Kopplung und Abnutzung nicht für hohe Meßraten und eine lange Lebensdauer geeignet. Auch bereiten Umwelteinflüsse, wie beispielsweise die Temperatur und magnetische oder elektrische Felder, und die dadurch entstehenden Meßverfälschungen Probleme bei der Auswertung der Meßsignale.

Die bestehenden optischen Verfahren beruhen auf dem Zählen von feinen Strichen einer Meßskala, die mittels einer Lichtquelle und einem licht empfindlichen Detektor mit zum Teil vorgesetzter Phasenplatte abge tastet werden. Diese Verfahren haben außer der Baugröße und der durch die mechanischen Kopplung limitierten Meßrate den Nachteil, daß sie nur inkrementell und nicht absolut messen können.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses, absolut messendes und von Umwelteinflüssen weitgehend unabhängiges Verfah ren zu schaffen, das es erlaubt, kleinste Wege und Positionsänderungen (bis 10 cm) innerhalb kürzester Meßzeiten (bis 10 000 Hz) bei einer Auflösung von besser einem Promille des Meßbereichs zu messen.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß das auf der Meßstrecke angebrachte Markierungsmuster durch ein optisches System auf eine Aufnahmeebene abgebildet und das dort entstehende Bild zur Wegmessung herangezogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Genauigkeit der Wegmessung, bez. der Positionsmessung der Markierungen lediglich von der Auflösung des optischen Systems und der Anzahl der Empfangs zellen des Detektors, der beispielsweise durch einen CCD-Bildwandler gebildet wird, abhängt. Da zwischen Meßstrecke und Detektor keine mechanische Verbindung besteht, ist ein Verschleiß der Meßeinrich tung ausgeschlossen. Außerdem wird durch die berührungslose Meßan ordnung die Meßzeit lediglich durch die Ansprechzeit des verwendeten lichtempfindlichen Empfängers begrenzt. Auch ist dieses Meßverfahren nicht nur auf eine Dimension beschränkt, sondern kann, beispielsweise mit einem einzigen zweidimensionalen Bildwandler, auch zur Positions messung in der Ebene eingesetzt werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt

Fig. 1 das Meßprinzip der ausgeführten Erfindung und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt das Meßprinzip der ausgeführten Erfindung. Ein auf dem Meßobjekt angebrachtes Markierungsmuster (1), das aus einem einfachen schwarz-weiß Übergang besteht, wird über ein Objektiv (2) auf einen lichtempfindlichen Empfänger (3), hier ein CCD-Zeilenempfänger abge bildet. Ist die Objektentfernung g bekannt und ist die Bildweite ent sprechend dem Linsengesetz (4) gewählt, so ist das System fokkusiert. Jetzt kann die zumessende Weglänge s, die durch den Kontrastübergang des Markierungsstreifens und durch den Blickwinkelrand des Empfängers begrenzt wird, nach Gleichung (6) aus g und b, sowie aus der Position des Kontrastübergangs auf dem Empfänger (3) bestimmt werden. Die Po sition des Kontrastübergangs kann dabei einfach aus der Anzahl der Empfangszellen n, die zwischen dem Bildrand und dem hell-dunkel Übergang liegen, nach Gleichung (5) errechnet werden. Damit ergibt sich für die zumessende Weglänge s Gleichung (7).

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier soll die Finger stellung eines Robotergreifers (14) berührungslos gemessen werden. Dazu wird auf einem der Greiferbacken (13) ein Markierungsstreifen (11), der aus einem einzigen hell-dunkel Übergang besteht, angebracht und durch eine Lichtquelle (8) beleuchtet. Dieser Streifen ist dabei so beschaffen, daß der Kontrastübergang bei geschlossenem bez. bei geöffnetem Greifer und Abbildung durch das Objektiv (9) gerade noch innerhalb der lichtempfindlichen Fläche des optischen Empfängers (10) zu liegen kommt. Das vom Empfänger (10) detektierte Bild des Markier ungsstreifens (11) wird dann digitalisiert dem Auswerterechner (12) zugeführt. Dieser bestimmt dann nach bekannten Verfahren der Kanten detektierung die Position des Kontrastübergangs und errechnet daraus nach Gleichung (7) die Stellung des Greiferbackens. Werden beide Backen des Greifers simultan geführt, oder besitzen sie jeweils eine eigene Meßeinrichtung, so kann aus dem bekanntem Basisabstand der beiden Greiferfinger und der Backenposition die Dicke eines gegriffenen Ob jekts (14) bestimmt werden. Diese so gemessene Dicke kann dann der Auswerterechner (12) zur Identifizierung von zu greifenden Objekten oder zur Bestimmung von Objektlagen benutzen. Hat der Auswerterech ner (12) auch die Möglichkeit über ein Stellglied die Position der Grei ferbacken zu verändern, so kann das Meßsystem auch als Istwertgeber zur Positionsreglung der Greiferbacken eingesetzt werden.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Wird beispielsweise eine CCD-Zeile mit 256 Bildpunkten und einem Punktabstand von 13 µm sowie ein 5 mm Objektiv verwendet, so um faßt der Meßbereich in 20 mm Entfernung etwa 10 mm. Wird auf dieser Meßstrecke ein schwarz-weiß Kontrast aufgebracht, so wird dieser vom Empfänger mit einer Genauigkeit von ¹⁰/₂₅₆ mm detektiert, d. h. die Auflösung beträgt etwa 0,04 mm oder 0,4 Prozent. Ein solcher Sensor kann wegen der verwendeten Halbleiterkameras so klein aufgebaut werden, daß er in einen Robotergreifer integriert und zur Messung und Reglung der Fingerstellung benutzt werden kann.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Eine gewerbliche Verwertbarkeit wird im Bereich von Weggebern und Positionsdetektoren, wie sie beispielsweise in NC-Maschinen und zur Messung von Stellantrieben benötigt werden, gesehen. Eine spezielle Anwendung liegt, wie das Ausführungsbeispiel zeigt, in der Bestimmung der Fingerstellung von Robotern und Handhabungsautomaten.

Claims

1. Verfahren zur Weglängenmessung mit hoher Auflösung für den Nah bereich insbesondere zur Positionsmessung von Stellgliedern bei denen ein Markierungsmuster auf der Meßstrecke aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Meßstrecke angebrachte Mar kierungsmuster (1) durch ein optisches System (2) auf eine Aufnahme ebene (3) abgebildet und das dort entstehende Bild zur Wegmessung herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektierung des Markierungsmusters ein lichtempfindlicher Zeilen- oder Flächenempfänger, wie beispielsweise ein Fotodiodenarray oder ein CCD-Bildwandler benutzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Markierungsmuster aus einem einzigen Kontrast übergang besteht und zur Weglängenmessung die Position dieses Über gangs auf dem Empfänger herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß aus zwei hintereinander folgenden Messungen die Geschwindigkeit der Weglängenänderung bez. der Positionsänderung be stimmt wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 4 mit einer Beleuchtungsquelle (8), einer Aufnahmeoptik (9), einem lichtempfindlichen Zeilenempfänger (10), einem Markier ungsstreifen (11) und einem Auswerterechner (12), dadurch ge kennzeichnet, daß der Zeilenempfänger (10) das Bild des Mar kierungsstreifens detektiert und der Auswerterechner (12) anhand der Positionen der Kontrastübergänge auf dem Zeilenempfänger die Weglänge bez. Position des Markierungsstreifens errechnet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Greiferbacken (13) eines Handhabungsautomaten ein Markier ungsmuster (11) angebracht ist und der Auswerterechner (12) aus dem Bild des Empfängers (10) die Greiferstellung bestimmt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (12) aus der Greiferstellung beim Fassen eines Gegenstandes (14) dessen Dicke zur Identifizierung benutzt.

8. Einrichtung nach Anspruch 5 bis 7 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (12) die gemessene Greiferbackenstellung als Istwert zur Positionsreglung der Greiferbacken verwendet.