CN101099074B - 用于测量圆形物体位置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于在端罩接附到抓持器(1，2)时测量纸、纸浆或板卷筒的端罩相对于输送其的抓持器(1，2)的位置的方法和设备。在测量期间，检测器(7)沿可采取为与由物体的边缘所描绘的圆的曲线相交的圆的曲线移动。检测器(7)的角位置使用检测器(7)在其上行进的圆的曲线测量且检测了检测器(7)所行进的曲线和物体边缘的相交点(x1，z1；x2，z2)。物体的中心点(x0，z0)的位置基于如下来计算：a)检测器所行进的圆的半径和该圆的中心点的位置(xm，zm)，b)工具点的位置(xt，zt)，c)物体所采取的半径，和d)检测到的相交点的位置(x1，z1；x2，z2)。最后，计算物体中心点(x0，z0)在抓持器坐标系内的位置。

Description

用于测量圆形物体位置的方法和设备

本发明涉及用于确定在包装纸、纸浆和板卷筒中使用的端罩的位置或卷筒端部的位置的方法。

本发明也涉及了意图于实施此方法的设备。

来自造纸机的宽的纸卷筒首先送到切纸机-卷绕机且切割为宽度合适的客户卷筒。然后，卷筒被包装以运输。当包装纸卷筒时，内端罩首先被放置到它们端部上，然后绕它们包裹以需要的包裹物的量，包裹物的端部在卷筒端部上折叠到内端罩的顶上。通常通过热封将外端罩粘在已折叠的包裹物的端部和内端罩上。内端罩通常非常厚且其功能是保护卷筒的端部不受机械损坏。就其本身而言，外端罩更薄且其功能是将包装保持在卷筒端部上且保护卷筒不受潮。经常在外端罩上使用色彩和图案来试图赋予卷筒整齐的外观。在包装前测量待包装的卷筒长度和直径，且基于测量结果为卷筒端部选择合适尺寸的端罩。

端罩可以以多种不同方式放置在卷筒端部上。手工放置端罩是最古老的方法且是仍适合于具有合理的小容量的包装线，或适合于在不需要增加自动化程度的设施中。包装工则简单地手动将内罩放置在卷筒端部上且相应地将外罩放置在热压板上，该热压板将外罩压在卷筒端部上。内罩也可以通过空气吹送或手动而不使用机械接触地传递。内罩在分开的臂上保持在卷筒的端部上，同时包裹物的边缘被折叠。外罩又通过真空抽吸接附到压板上。当以手工设定罩时，包装工保证将正确尺寸的罩放在卷筒上且将它们正确地定位。

多种自动端罩设定器已长时间使用，且存在它们的数个不同种类。几乎所有自动的罩设定器具有共同的特征，即在卷筒的每个端部上，存在包括抓持器的装置，该抓持器将罩从罩堆传递到卷筒端部。在一个已知的罩设定器内，存在安装在垂直导向件上的旋转臂，在该臂的端部处存在用于抓持罩的旋转真空抽吸器。此类罩设定器通常与靠近设定器放置的罩架的架格相结合地使用。使用这样的装置，可以将罩放置在卷筒的端部上，放置的方式为抓持器的臂沿垂直导向件移动到其上具有准确尺寸的端罩的架的高度。抓持器臂和抽吸器转动，直至抽吸器平行于架平面对齐，然后从架上拾取罩且通过旋转臂和抽吸器且使它们沿导向件移动而使它们移动到卷筒端部。在此类装置中，一般地不存在分开的装置以用于测量端罩的尺寸和位置。

在另一个系统中，端罩放置在车间地面上的堆内且使用门式运行的端罩设定器将端罩传递到卷筒端部。传递门建立在罩堆之上而通常将罩设定器放置在相同的横向可移动导向件上。因此，每个抓持器必需具有其自己的特定尺寸的端罩堆。美国专利5 157 265披露了用于确定端罩的尺寸和位置的方法，该方法适合于结合以上系统使用。在此测量系统中，被抓持器拾取的端罩以已知的速度被带过一对光电元件，使得罩的前缘到达光电元件的位置和罩的后缘的通过基于光电元件的信号改变被检测到。可以通过已知的罩速度和信号改变的时间之间的差异计算出相交之间的距离。因为罩的形状已知，则现在可以确定其位置和尺寸。因为抓持器的拾取位置到罩堆的关系已知，故可以从罩在抓持器上的位置确定罩堆的实际位置。

作为前述的端罩操纵方式的替代，可以使用带有数个自由度的标准型工业机器人来操纵罩。此类的机器人可以与包裹物站有关地定位，定位方式使它可以将端罩放置在卷筒两个端部上。机器人的有效运行要求使用双侧抓持器，以此通过在其之间旋转抓持器可以一个接一个地拾取用于两端的罩，使得不要求两个提升移动。也可以使用两个机器人来实现短的循环时间。

然而，在美国专利5 157 265中披露的方法具有数个弱点，因此不适合于用于使用机器人进行的端罩传递。因为其中罩一个在另一个上的双侧抓持器必须与机器人一起使用，光电元件将不能分辨在信号在其边缘处改变的端罩，使得当使用双侧抓持器时，此方法不能应用，除非为光电元件设定检测的深度区，使其能仅检测一个在另一个上的罩中希望的罩。因为在此方法中仅使用两个光电元件，它不能用于检测罩的边缘损坏。如果罩的损坏部分平放在光电元件的路径上，则罩的尺寸和位置将被错误地计算且罩可能被丢弃，即使该罩事实上完全是可使用的。罩的丢弃本身不是问题，但在丢弃罩后必须取来新的罩，这当然将中断包装线的运行。然而，罩通常被送到压板且向操作者通知错误，从而允许错误通过目视被修正或需将新的罩放置在压板上。只有将机器人的运动保持足够低才能以此方式运行，同时错误情况的修正将显著地中断包装线的运行。必须减慢机器人的移动以允许足够精确地读出端罩的位置。同样地，在错误情况中，必须能停止移动，使得操作者可以安全地进入到机器人的移动区。因此，甚至当使用机器人设定罩时也可以以以上描述的方式运行，然而将不能从机器人获得最大可能的收益，因为必需地降低移动速度。

另外，在此系统中，罩的测量位置与抓持器上的参考点的位置相比较，抓持器上的参考点的位置基于由运动传感器给出的信号总是是已知的。因此当使用工业机器人时方法不能应用，因为机器人的迅速移动将妨碍连续地确定机器人的位置数据。在机器人的情况中，抓持器的参考点的位置必须以不同于机器人位置数据的其他方式确定，因为在测量期间不值得减慢机器人的运动到使得能读取位置数据的程度。

专利US 5 376 805披露了用于相对于输送罩的抓持器确定端罩的尺寸和位置的方法。抓持器通过带有数个自由度的工业机器人移动，且在分开的测量站进行对罩的测量。测量站具有三个光电元件，罩和抓持器移动经过它们。检测元件配合到抓持器，借助于检测元件，当抓持器通过第一检测元件时，确定抓持器的工具点的位置。罩的位置和尺寸基于借助于由检测器从罩的边缘给出的信号获得的线段来确定。在此解决方法中，也使用了分开的测量站，使得罩向卷筒端的传递减慢，或另外地必需使用高效率机器人，通过该高效率机器人可以获得大的加速和减速。如果不限定罩的尺寸而是将尺寸作为初始数据赋予系统，则将仅需要两个光电元件和两个点来确定端罩的位置。

在包装系统中，也存在确定端罩堆的尺寸和位置或卷筒端部的尺寸或位置的需要。当然使用分开的固定测量站不能确定端罩堆的位置。使用分开的测量装置与包装相关地测量卷筒的尺寸，但即使使用这些装置，也仅在一个测量点上成功测量。因此，需要创造测量方式，通过该方式可以在数个不同的点测量端罩堆的位置和卷筒的直径。在高能力包装系统中，数个端罩堆要求了大的面积，使得测量装置必需可容易地移动且其位置必须能精确地确定。

本发明意图于创造方法，借助于该方法可以借助于直接配合抓持器或其他传递装置的检测器来确定端罩、卷筒端部或任何其他圆形物体的位置和地点，且不需要分开的测量站。

本发明基于臂，可以确定臂绕其旋转轴的角位置，且臂在一个端部可旋转地安装在轴上，轴配合到抓持器、其他传递装置或固定的站，其操纵端罩。臂绕其轴旋转，当其端部经过圆形物体的边缘时，由在臂的端部处的光电元件记录经过的时刻。可基于臂的角位置计算物体的尺寸和位置，因为臂的长度和旋转轴相对于工具点的位置是已知的。

以本发明获得了相当的优点。

本发明的最重要的优点是，例如借助于在机器人的抓持器内的测量装置可以在机器人的任何移动区内确定端罩、端罩堆或卷筒的位置。端罩不需要接附到抓持器，而是可以通过将测量装置在端罩堆之上移动来进行测量。不需要将端罩送到分开的测量站，因此消除了罩传递中的一个工作阶段。因此，大体上加速了罩的传递移动，因此允许增加包装系统的能力或另外地将更便宜和更慢的机器人或操纵器用于传递端罩。因为不要求分开的测量站，降低了包装系统所需要的地面空间且可以更自由地设计抓持器的移动路径。当在现有的车间环境中改造包装系统时，这是有利的。自然，系统的价格也更低，因为可以消除一个分开的装置。因为相同的测量装置可以用于测量端罩的位置和卷筒端部的尺寸和位置，可进一步简化系统。

如下将借助于附图更详细地分析本发明。

图1是根据本发明的测量方法的处于第一计算阶段的示意图。

图2是根据本发明的测量方法的处于第二计算阶段的示意图。

图3是根据本发明的测量方法的处于第三计算阶段的示意图。

图4是根据本发明的测量方法的处于第四计算阶段的示意图。

图5示出了根据本发明的一个装置。

可以借助于本发明实施端罩位置的测量，测量方式为使接附到抓持器或其他传递装置的测量装置接近被测量物体，测量端罩堆或卷筒端部的位置，且传递测量结果以被系统使用。测量可以在抓持器静止或移动时进行。在实际的测量情况中，当检测到两个测量点时，即一个为当臂的端部移动出罩或卷筒端部区时和一个为当当臂再次返回罩或卷筒端部顶上时，限定尺寸的测量臂以使其自由端部经过罩或卷筒边缘的方式旋转。

罩的尺寸和中心点的计算按如下进行。当测量装置接近被测量物体时，即在端罩堆顶上或在卷筒端部前时，被测量物体通常相对于测量装置的工具点略微地偏心。偏心例如由于罩堆的位置的不准确导致，或因为测量装置或传递装置，例如抓持器的构造导致，使得在提升期间罩或卷筒端部的中心点总与工具点具有距离。一旦测量臂的旋转轴的位置已知，如臂的长度和角度已知，则可以计算被测量物体的中心的位置。为计算，在测量装置的坐标系内限定测量臂的端部以及物体边缘的相交点。

在测量装置坐标系内限定点(x1，z1)和(x2，z2)根据图1进行。借助于连接到测量臂的轴的绝对传感器获得角度α。当处于臂的端部处的例如光电元件的传感器反应的时刻读取绝对传感器。α因此是测量结果，且测量臂的轴的位置总是与测量臂的长度相同。借助于角度α，现在可以限定从测量臂到物体边缘上的点(x1，z1)的轴的向量S。从图1中可见，向量C＝P+S，使得通过将现在已知的向量相加而获得了点(x1，z1)在测量装置坐标系内的位置，即相对于测量装置的工具点的位置。

以相应的方式获得了点(x2，z2)的坐标。一旦在圆的圆周上的两个点已限定且假定物体的半径已知，并如果另外已知中心点位于通过点的直线的哪一侧，则限定了物体的中心点的位置。

在限定了点(x1，z1)和(x2，z2)后，计算了在抓持器的抽吸头的坐标系内的物体中心点的位置。这根据图2进行。

由点的差测量了向量A，A＝D-C。根据图借助于角度γ获得了向量R且γ＝180°+α-β。这些角度可以借助于前面已确定的点和已知的扇形和物体的半径限定。最后，限定了中心点相当于工具点的位置(x0，z0)，即r＝C+R。

使用接附到抽吸头上的标定罩或通过以不要求分开的盘的方式成形抽吸头来标定测量臂的长度。标定是必需的，以在运行中断后或在第一次安装后获得精确的读数。因此，例如在测量装置与一些物体碰撞后、以定期的间隔检查其运行和自然当器械安装时，在其用于生产前，可能需要标定。借助于标定罩，标定可以以这样的方式进行，即将标定罩放置在抓持器上，准确地已知标定罩的半径R且借助于导向件将罩精确地设定到希望的位置。罩的中心点以理论上图3的正确位置位于z轴上。

借助于配合到抽吸头的标定罩标定测量臂的长度。测量臂缓慢地顺时针旋转，直至光电元件反应。测量臂的角度根据图3从绝对传感器获得。另一个替代的是抽吸头自身内的标定线，在其位置处从光电元件获得相应的反应。

标定罩以精确地限定的位置设定，到此在罩中心点和测量臂的轴之间的向量P是已知的，且在罩中心点和检测点之间的向量R基于测量到的旋转角度获得。因为向量R的长度是罩的半径，所以向量S的特定值，即测量臂的长度可以借助于角度α、θ和λ计算出。

如果存在用于标定的在抓持器的抽吸头内的测量装置的其他极限边缘内的切去面，则测量臂的长度的标定按如下进行。在切去面和测量移动之间的角度例如对应于在1000mm的罩的切线和测量移动的切线之间的角度。切去面以这样的方式安装或形成，即使得切去面平行于Z轴线且距它特定的距离。现在，当光电元件激活时，测量了角度的值。测量臂的精确长度可以借助于角度切去面的Z轴线距离来确定。

因为在以上所述的测量臂长度标定中利用了由测量臂给定的角度值，该角度值必须首先被标定。通过逆时针运行测量臂直至光电元件对测量臂的角度的标定切去面反应来标定测量臂的角度。切去面以这样的方式安装，即使其边缘与测量臂的轴形成了特定的角度j。当测量臂运行到此角度时，如果绝对传感器的读数与设定的标定值不同，则获得了修正因数用于绝对传感器的读数。对于运行，测量臂传感器按程序设定到角度j。

在物体边缘的检测中存在略微的延迟，该延迟的原因是测量仪器的特定的延迟和检测器的束形状。此延迟使用放置在计算算法中的常数来消除。在测量臂长度的测量中获得的角度α是点(x1，z1)的位置向量S的“真实”角度。在延迟的标定中，测量移动正常运行且读取检测到的角度。将所获得的结果与理论上的“真实”角度比较。角度的偏移作为差异获得。对于物体的上升沿和下降沿进行测量。

图5示出了用于应用以上描述的本发明的原理的一个装置。使用此装置可以从接附到抽吸盘的罩测量端罩的位置，或抓持器例如可以在端罩堆之上移动且通过从堆提升罩到抓持器上来测量堆的位置。相同的装置也可以用于在抓持器的移动区内的任何处测量卷筒的端部的位置或卷筒的直径。装置配合到抓持器的框架1，抽吸板2也接附到框架1。抽吸板2的构造和运行同样地不涉及本发明，所以不更详细地描述。外壳3也接附到抓持器框架，而测量臂6的轴5配合到外壳3和框架2。在测量臂5的框架2端部处，具有齿轮马达4，借助于齿轮马达4使轴5旋转。在轴5的相对端处是绝对传感器8。传感器的类型和构造同样不影响本发明的实施，只要它可以用于可靠地检测轴的旋转角度。替代地，传感器可以与马达4有关地定位，或角度可以直接从步进马达的控制读取，或传感器可以位于轴的侧处，在此情况中必须在轴上具有标记，传感器可以对该标记反应。测量臂6接附到轴且在轴6的端部处存在传感器7。传感器7例如是基于光纤的光电元件。

外壳3借助于V形安装板9接附到抓持器的框架1和抽吸板。在此安装板9中，具有用于标定测量臂的角度的切去面10。通过在切去面10的方向转动臂6直至传感器7检测到切去面来进行标定。切去面形成为在安装板外边缘上的切口。以此方式，切去面10的前边缘平行于通过旋转轴5的中心点的直线，且旋转角度可以精确地表达而无论检测器7的半径在哪个点处与切去面相交。测量臂6的长度因此不影响角度的测量。

相应地，装置可以与意图于标定测量臂6的长度的切去面配合。此切去面以在涉及测量臂6的标定的部分中描述的方式布置。

测量装置可以位于抓持器内或其他传递装置内或在包装机区内的合适的位置内的固定位置处。因此，可以将端罩送到检测器前用于测量。在其中卷筒在纵向方向移动的传送线上，根据本发明的测量可以以这样的方式使用，即例如臂的旋转或降低将测量装置送到卷筒的路径。也可以使用根据本发明的方法测量滚动的卷筒的端部，但在此情况中，必须已知卷筒的速度。测量的基本部分是，通过移动测量装置或物体而使被测量的物体位于测量装置的测量区内。

也可以设想与以上所披露的不同的本发明的实施例。特别地，以上描述的装置的机械构造可以与以上描述相当地不同。明显的是，必须使装置的构造适合被使用的抓持器的构造。例如，旋转测量臂6的运行装置、装置的传感器和移动和静止的机械部件可以如所希望地成形，只要可以在装置内布置在圆形路径行进的检测器和用于测量检测器角位置的元件。测量臂的长度和其旋转轴的位置可以如希望地选择。然而旋转轴的位置应优选地与罩的工具点具有距离，以保证测量臂的旋转圆将总是与罩的边缘圆相交。也可以设想的是，使数个传感器配合到测量臂，以检测数个相交点，但这将通常不是必需的且增加了装置的价格以及要求了更多标定能力。

Claims (15)

1.借助于接附到抓持器的测量装置来确定圆形物体的位置的方法，其特征在于：

-测量装置和圆形物体的相互位置布置为使得圆形物体在测量装置的检测区内，

-检测器(7)沿采取为与由圆形物体的边缘所描绘的圆的曲线相交的圆形路径行进；

-使用检测器(7)在其上行进的圆的曲线来测量检测器(7)的角位置，

-检测由检测器(7)所行进的曲线和圆形物体的边缘的相交点(x1，z1；x2，z2)，

-圆形物体的中心点(x0，z0)的位置基于如下来计算：

a)检测器所行进的圆的半径和该圆的中心点的位置(xm，zm)，

b)工具点的位置(xt，zt)，

c)圆形物体所采取的半径，和

d)检测到的相交点的位置(x1，z1；x2，z2)，

-计算在抓持器的抽吸头的坐标系内的圆形物体中心点的位置(x0，z0)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：检测器(7)在配合到旋转轴(5)的第一端的测量臂(6)上输送，且轴(5)用于测量该测量臂(6)的旋转角度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：通过将测量臂(6)向在限定的旋转角处的切去面(10)旋转直至切去面被检测到来标定测量臂的旋转角度(α)的测量，且测量臂的角度的测量基于所述限定的旋转角度设定；所述圆形物体为卷筒、卷筒的端部或端罩。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：借助于其半径精确地已知的且放置在抓持器上的精确地限定的位置的标定端罩来标定测量臂(6)的长度。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：借助于形成在测量装置内标定切去面来标定测量臂(6)的长度，在测量臂位置处获得了对应于标定端罩的测量结果。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：使用抓持器在端罩堆顶上移动测量装置且测量了端罩堆的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：测量装置放置在固定的位置且由抓持器将端罩送到测量装置以用于测量。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：测量装置相对于卷筒的行进路径以使卷筒的端部至少暂时地位于测量区内的方式布置，且至少测量了卷筒的直径或其端部位置。

9.用于使用测量装置测量圆形物体的位置的设备，其至少包括框架结构(1)和限定的工具点(x1，z1)，其特征在于：

-用于将圆形物体和测量装置的相互位置设定为使得圆形物体在测量装置的测量区内的元件(1，2)，

-布置为绕配合到框架结构(1)的旋转轴(5)旋转的测量臂(6)，

-测量装置(8)，通过测量装置(8)可以测量该测量臂(6)绕旋转轴(5)的旋转角度，和

-至少一个配合到测量臂(6)的检测器(7)，通过检测器(7)，可以当检测器行进经过边缘时检测圆形物体的边缘；

测量臂(6)布置为绕配合到框架结构(1)的旋转轴(5)旋转，使得连接到测量臂的检测器沿着一个圆形路径行进，其中该圆形路径与该圆形物体边缘限定的圆形曲线相交。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：测量臂(6)的旋转轴(5)与工具点(x1，z1)具有距离。

11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于：第一标定切去面(10)，该第一标定切去面(10)布置为平行于通过测量臂(6)的轴(5)的直线且布置为在测量臂(6)的旋转框架上的限定的角位置。

12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：圆形物体为卷筒的端罩；以及第二标定切去面，该第二标定切去面以在其位置处获得了端罩的边缘的相应的检测的方式布置在测量臂(6)的旋转框架内。

13.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：测量装置由机器人或操纵器移动。

14.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：测量装置放置在固定位置。

15.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：圆形物体为卷筒；测量装置可以移动到其中卷筒行进通过测量装置的测量区的位置。

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