DE102004039760A1

DE102004039760A1 - Verfahren zur interferometrischen Ermittlung eines Masses zu einem Objekt, Automatsystem, interferometrisches Messsystem, Messplatz und Verwendung des interferometrischen Messsystems

Info

Publication number: DE102004039760A1
Application number: DE200410039760
Authority: DE
Inventors: Holger Wirth
Original assignee: Metronom Automation GmbH
Current assignee: Metronom Automation GmbH
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Driftvorgänge einer Roboterkinematik und mechanische Ungenauigkeiten bei einem Mess- und Fertigungsplatz führen zwangsläufig zu einer begrenzten Genauigkeit bei einer Objektbearbeitung an einem Mess- und Fertigungsplatz. Erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit wurden bislang durch eine regelmäßige Kalibrierung eines Automatsystems ausgeglichen, die jedoch umständlich ist und die Genauigkeitsbegrenzung letztlich nicht beseitigt. Um eine automatisierte Bearbeitung eines Objekts (49) mit einer jenseits bisheriger Genauigkeitsgrenzen liegenden Positionsmessung und gleichzeitig möglichst hoher Bearbeitungsfrequenz zu ermöglichen, wird vorliegend ein Verfahren (20) zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes, betreffend ein Objekt (49), sowie ein entsprechendes Automatsystem (1'), ein interferometrisches Messsystem (10), ein Messplatz (30) und eine Verwendung (60) des interferometrischen Messsystsems (10) angegeben. Das Konzept sieht insbesondere ein Automatsystem (1') mit einer Robotik (1), aufweisend eine Positioniereinheit (3'); eine Reflektoreinheit (5', 5''), aufweisend einen Reflektor (9', 9'') in einem Kugelgehäuse (11', 11''); vor, wobei die Positioniereinheit (3') zusätzlich einen taktilen Objekttaster bildet, wobei das Kugelgehäuse (11', 11'') eine Tastspitze des Objekttasters bildet und die Positioniereinheit (3') einen nachgiebigen Kraft- und/oder Momentensensor (51) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt, bei dem ein interferometrischer Messstrahl über eine Messstrahl-Nachführeinheit einer Tracking-Einheit auf eine Reflektoreinheit gerichtet wird, die an einer Positioniereinheit einer Robotik angebracht ist; der interferometrische Messstrahl von der Reflektoreinheit mittels eines in einem Gehäuse untergebrachten Reflektors reflektiert wird; der reflektierte interferometrische Messstrahl über die Messstrahl-Nachführeinheit einem Interferometer der Tracking-Einheit zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Automatsystem mit einer Robotik, aufweisend eine Positioniereinheit; und einer Reflektoreinheit, die zur Reflexion eines interferometrischen Messstrahls an der Positioniereinheit angebracht ist, aufweisend einen Reflektor in einem Gehäuse.
Die Erfindung betrifft auch ein interferometrisches Messsystem, einen Messplatz und eine Verwendung des interferometrischen Messsystems.
Die automatisierte Fertigung stellt immer höhere Anforderungen an die im Fertigungsprozess eingebundene Robotik und deren Kinematik und die Beschaffenheit und Mechanik einer Fertigungsstraße, um neben einer hohen Fertigungstaktrate gleichzeitig eine hohe Fertigungsgenauigkeit zu gewährleisten. Voraussetzung für eine hohe Fertigungsgenauigkeit ist zunächst eine hohe Positioniergenauigkeit bei der Robotik und insbesondere bei der Fertigungsstraße. Solange ein Bauteil oder eine zur Aufnahme eines Bauteils dienende Bauteilaufnahme ungenau positioniert wird, erweist sich eine genaue Bearbeitung als schwierig. Letztlich begrenzt die Positioniergenauigkeit die Fertigungsgenauigkeit. Insbesondere mit steigenden Anforderungen an eine Fertigungsgenauigkeit im Submillimeterbereich bei einem Absolutbezug im Bereich mehrerer Meter, wie dies z. B. bei einem Füge- oder Handlingvorgang für ein Objekt, z. B. einem Bauteil, in Form einer Automobilkarosserie, durch ein Automatsystem an einem Fertigungsplatz einer Automobil-Fertigungsstraße der Fall ist, lassen sich die erhöhten Anforderungen nicht mehr durch eine noch so ausgefeilte und präzise Mechanik der Fertigungsstraße oder Robotik und des Automatsystems erreichen – jedenfalls nicht bei vertretbarem Kostenaufwand. Alltägliche Abnutzung, thermische oder mechanische Drifts oder Versatze, z. B. in der Motorik oder im Getriebe eines Automatsystems oder eines Roboters oder eines Fertigungsbandes, und andererseits die noch größeren Positionierungenauigkeiten eines Objekts auf einem Fertigungsplatz führen letztlich dazu, dass nach bisher üblichen Maßnahmen eine Genauigkeit gerade noch bis hinunter zu einer Grenze von 1 mm erreicht werden kann. Insbesondere ist es im Submillimeterbereich nicht mehr möglich, festzustellen, ob eine Ungenauigkeit im Automatsystem bzw. der Robotik vorliegt oder ob eine Ungenauigkeit am Fertigungsplatz, z. B. ein Versatz einer Bauteilaufnahme, vorliegt. So können beispielsweise Genauigkeitsfehler bei der Anbringung von Bohrungen oder Schweißnähten an einer Automobilkarosserie an einem Fertigungsplatz einer Automobil-Fertigungsstraße im Submillimetergenauigkeitsbereich auftreten. Besonders unerwünscht wäre eine ungenauigkeitsbedingte Kollision von bearbeitender oder handelnder Robotik und dem Objekt.

Maßnahmen zur Verbesserung der Genauigkeit bestehen bekanntermaßen zunächst in einer häufig wiederholten Kalibrierung des Automatsystems. Im Rahmen einer solchen Maßnahme wird, wie im Detail in Bezug auf die 1 erläutert ist, ein interferometrischer Messstrahl über eine Messstrahlnachführeinheit einer Tracking-Einheit (auch als Laser-Tracker bezeichnet) auf eine Reflektoreinheit gerichtet, die dazu an einer Positioniereinheit einer Robotik angebracht wird. Ein interferometrischer Messstrahl wird von der Reflektoreinheit mittels eines in einem Kugelgehäuse untergebrachten Reflektors reflektiert und der reflektierte interferometrische Messstrahl wird über die Messstrahlnachführeinheit einem Interferometer der Tracking-Einheit zugeführt. Bis zur Kalibrierung aufgetretene thermische oder mechanische Drifts in der Robotik können auf diese Weise rückgängig gemacht werden – nämlich, indem die Robotik nach der oben genannten genauen Ausmessung im Rahmen der Kalibrierung wieder auf die ursprüngliche Sollposition gestellt wird. Ein entsprechendes interferometrisches Messsystem ist in der Broschüre „Tragbares Koordinatenmesssystem für kleine und große Objekte" der Firma LEICA Geosystems aus dem Jahr 2000 unter der Nr. 714.862DE-VI.2000 beschrieben. Das in dem Prospekt beschriebene Kalibrierverfahren ist zeitaufwändig und genügt nicht den erhöhten Genauigkeitsanforderungen im Submillimeterbereich.

In der Broschüre ist auch angegeben, wie eine manuell geführte Reflektoreinheit – also eine im Rahmen einer menschlichen Dienstleistung zu positionierende Reflektoreinheit – verwendet werden kann, um mit einem interferometrischen Messsystem ein Maß zu einem unbeweglichen Objekt, z. B. einem Bauteil, zu bestimmen. Das manuelle Handhaben der Reflektoreinheit genügt in keinster Weise den hohen Fertigungsraten im Rahmen einer automatisierten Fertigung an einer Fertigungsstaße und ist dort aufgrund seines zur manuellen Handhabung notwendigen Personenbezugs nicht einsetzbar.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist ein Verfahren zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt und eine entsprechende Vorrichtung sowie eine Verwendung anzugeben, die den erhöhten Genauigkeitsanforderungen bei einem relativ großvolumigen Absolutbezug genügen und die gleichzeitig eine hohe Automatisierungstaktrate ermöglichen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes zu einem Objekt gelöst, bei dem erfindungsgemäß

– in einem Antastschritt das Gehäuse als eine Tastspitze von der einen taktilen Objekttaster bildenden Positioniereinheit, unter Berücksichtigung von auf das Gehäuse wirkenden Kräften und/oder Momenten, an dem Objekt positioniert wird; und
– in einer Messwertaufnahme über eine interferometrische Messung des Abstands zwischen der Reflektoreinheit und einem Aufpunkt in der Tracking-Einheit ein Maß betreffend das Objekt hergeleitet wird.

Die Erfindung löst das oben erläuterte Problem also durch die Angabe eines Messverfahrens, mit dessen Hilfe eine etwaig auftretende Ungenauigkeit, vor allem bei der Positionierung und/oder Maßhaltigkeit, eines Objekts automatisch mit einer extrem hohen Genauigkeit und einer für eine hohe Automatisierungsrate geeigneten Taktrate ermittelt wird. Dies führt, wie weiter unten erläutert, auch auf ein Automatsystem, ein interferometrisches Messsystem und einen Messplatz sowie auf eine Verwendung im Rahmen einer Fertigung. Dazu wird eine Robotik mit einer Tracking-Einheit kombiniert. Unter Positionierung wird vor allem die absolute Anordnung eines Objekts im Raum verstanden. Unter Maßhaltigkeit wird vor allem ein Relativmaß am Objekt verstanden.

Die Erfindung geht dabei zunächst von der Überlegung aus, dass der Bewegungsablauf eines Automatsystems mit einer Robotik, also z. B. eines Roboters, typischerweise rein positionsgeregelt auf programmierten Bahnen ohne Berücksichtigung von auf ein Objekt, beispielsweise in Form eines Werkzeugs oder eines Werkstücks, wirkenden Kräften bzw. Momenten erfolgt. Die Erfindung hat erkannt, dass diese Art einer rein positionsgeregelten Robotik in jedem Fall zu einer zunehmenden Ungenauigkeit – sei es aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Robotik oder aufgrund von Ungenauigkeiten bei einer Objektpositionierung – führt. Auch bei häufigen Kalibriermaßnahmen genügen übliche Automaten oder Fertigungsstraßen nicht den erhöhten Genauigkeitsanforderungen.

Bei der Lösung des Problems hat die Erfindung auch berücksichtigt, dass sich Maßnahmen einer externen Sensorik, beispielsweise eine fotogrammetrische Überwachung der Robotik oder einer Bauteilaufnahme oder eines Bauteils hinsichtlich der Positionierung, z. B. mit Kameras, ebenfalls als ungenügend und je denfalls zu kostenaufwändig erweist. Bisher verwendete Arbeitsroboter, z. B. Schweißroboter, oder Fertigungsstraßen müssten aufwändig in Bezug auf die Überwachung ausgelegt und rückgekoppelt werden.

Die Erfindung hat deshalb in einem ersten Aspekt, in Abkehr von für die Robotik typischen rein positionsgeregelten Maßnahmen, einen überraschend erfolgreichen und neuen Weg eingeschlagen, bei dem eine Reflektoreinheit von einer für ein Messsystem vorgesehenen Robotik unter Berücksichtigung von auf die Reflektoreinheit wirkenden Kräften und/oder Momenten an dem Objekt positioniert wird. Die Erfindung macht es sich dabei zunutze, dass gerade das Einstellen und das Einhalten von genau definierten Prozesskräften einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität und Prozesssicherheit einer Applikation hat und diese werden deshalb bei der Positionierung der Reflektoreinheit angemessen berücksichtigt. Damit entfällt nicht nur eine ansonsten notwendige komplizierte und kostenaufwändige externe Sensorik zur Überwachung einer Robotik eines Messsystems – vielmehr lässt sich die Reflektoreinheit auf einfache Weise in eine vorhandene Robotik und ein interferometrisches Messsystem integrieren.

In einem zweiten Aspekt hat die Erfindung darüber hinaus erkannt, dass im Rahmen des Verfahrens zur interferometrischen Ermittlung die Positioniereinheit einen taktilen Objekttaster mit der genannten Kraft- und/oder Momentensensorik und einer Tastspitze bildet, wobei gemäß dem vorgeschlagenen Konzept die Tastspitze in Form des Gehäuses der Reflektoreinheit gebildet ist. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass es vorliegend keinesfalls ausreichend wäre übliche Taster, wie sie beispielsweise aus der US 3,308,476 bekannt sind, zu verwenden. Solche Taster müssten nämlich, zusätzlich zu einer Reflektoreinheit, als ein separater Tasterstab mit einer resistenten Saphir-, Diamant- oder Karbidspitze gebildet werden, was das Verfahren wiederum komplizieren würde. Im Gegensatz dazu ist vorliegend, also gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, und in Abkehr von üblichen Tastersystemen, vorgesehen, das Gehäuse als eine Tastspitze auszubilden.

Vorzugsweise ist das Gehäuse in Form eines Kugelgehäuses gebildet. Das Kugelgehäuse wirkt dabei praktisch wie ein allseitiger, definierter Abstandshalter zwischen einer Oberfläche des Kugelgehäuse und dem Mittelpunkt des Kugelgehäuses. Bei dem Verfahren wird vorzugsweise der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Reflektoreinheit und dem Aufpunkt in der Tracking-Einheit interferometrisch ermittelt. Ein reflektierter Strahl scheint also hinsichtlich einer interferometrischen Messung virtuell im Mittelpunkt des Kugelgehäuses reflektiert zu sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse einen Messanschlag aufweisen, der dem Gehäuse eine räumlich orientierte Verzugsrichtung verleiht, also z. B. ein stiftartiger Messanschlag, oder das Gehäuse selbst ist stabförmig oder hat eine andere orientierbare Form. Im letzteren Fall wirkt das Gehäuse als räumlich orientierter Abstandshalter.

Bei der Herleitung des Maßes betreffend das Objekt wirkt der, allseitige bzw. räumlich orientierte, Abstandshalter in Form des Kugelgehäuses bzw. als Gehäuse mit räumlich orientierter Vorzugsrichtung, als ein bekanntes Reduktionsmaß. Insbesondere wird dazu der Reflektor zentriert zum Mittelpunkt des Kugelgehäuses angeordnet und ist vor allem in Reflektionsrichtung zu einer Öffnung im Gehäuse hin gerichtet. Zweckmäßigerweise ist die Reflektionsachse des Reflektors auf einen Raumpunkt, vorzugsweise die Optik der Messstrahlnachführeinheit der Tracking-Einheit, gerichtet. Zur genauen Bestimmung des Ortes des als Taster funktionierenden Reflektors werden zudem, im Rahmen der interferometrischen Längenmessung in der Reflektionsachse, die Raumwinkel der Reflektionsachse bestimmt. Der Ort wird also praktisch in Kugelkoordinaten bestimmt. Dies ist im Übrigen in Bezug auf 1 näher erläutert.

Die Erfindung hat also betreffend die für die interferometrische Messung vorgesehene Robotik, in einem ersten Aspekt, zur Ausbildung der Positioniereinheit als einen taktilen Objekttaster in unüblicher Weise das Kugelgehäuse als eine Tastspitze ausgebildet und in Kombination damit, in einem zweiten Aspekt, die auf das Kugelgehäuse wirkenden Kräfte und/oder Momente bei der Positionierung des Kugelgehäuses am Objekt berücksichtigt. Auf diese Weise wird erstmals im Rah men einer völlig neuen konzeptionellen Gangart eine interferometrische Ermittlung eines Maßes zu einem Objekt im Rahmen eines Verfahrens automatisierungsfähig, d. h. für Taktraten im Herz-Bereich mit extrem hoher Genauigkeit, im Submillimeterbereich, implementiert – dies zudem mit vergleichsweise geringem Kosten- und Zeitaufwand im Vergleich zu bisher üblichen Kalibriermethoden für eine Roboterkinematik oder externer Überwachungssensorik für eine Positionierung einer Bauteilaufnahme.

Dies hat darüber hinaus eine ganze Reihe von weiteren Vorteilen gegenüber bisher üblichen Maßnahmen, die u. a. im Rahmen vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung erreicht werden. Diese sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das Verfahren gemäß dem neuen Konzept im Einzelnen zu realisieren.

Insbesondere ist bei einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass

– eine Positionierung des Gehäuses an dem Objekt erst an einem Ort als erfolgt gilt, bei dem auf das Gehäuse wirkende vorbestimmte Kräfte und/oder Momente auftreten;
– zeitliche Abweichungen im Ort bei auf derselben Weise wiederholten Positionierungen registriert werden; und gegebenenfalls
– eine Korrektur bei einer Anordnung des Objektes und/oder bei einer Programmierung eines Bearbeitungs- oder Handlingautomats auf Grundlage der Abweichungen vorgenommen wird.

Gemäß dieser Weiterbildung dient das konzeptionell neue Messverfahren also zunächst als ein Kontrollverfahren, um eine Ungenauigkeit, z. B. bei einer Bauteilaufnahme, überhaupt festzustellen. Auf diese Weise kann gegebenenfalls eine Justierung zur submillimetergenauen Anordnung eines Objektes vorgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auf diese Weise eine positionskorrigierte Programmierung, z. B. eines Schweiß- oder Hebeautomats, vorgenommen werden. Sowohl eine Justierung als auch eine korrigierte Programmierung könnte manuell, gegebenenfalls aber auch automatisch und online durch eine Rückkopplung eines interferometrischen Messsystems mit einem Objekt und/oder eines Bearbeitungs- oder Handlingautomaten, erfolgen.

Betreffend die Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Erfindung mit einem Automatsystem der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß

– die Positioniereinheit zusätzlich einen taktilen Objekttaster bildet, wobei
– das Gehäuse eine Tastspitze des Objekttasters bildet, und
– die Positioniereinheit einen nachgiebigen Kraft- und/oder Momenten-Sensor aufweist.

Ein solchermaßen verbessertes Automatsystem ist in besonders vorteilhafter Weise geeignet, im Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung eingesetzt zu werden und dessen Vorteile zu erreichen.

Insbesondere führt die Erfindung auf ein interferometrisches Messsystem zur Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt, mit

– einem oben genannten Automatsystem; und
– einer Tracking-Einheit, aufweisend ein Interferometer und eine Messstrahl-Nachführeinheit zur Ausrichtung des interferometrischen Messstrahls auf die Reflektoreinheit.

Des Weiteren wird die Aufgabe betreffend die Vorrichtung durch die Erfindung mit einem eingangs genannten Messplatz gelöst, bei dem erfindungsgemäß das genannte interferometrische Messsystem und ein zu vermessendes Objekt vorgesehen ist.

Die Erfindung führt des Weiteren auf die Verwendung des interferometrischen Messsystems zur Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt an einem Fertigungsplatz einer Automobil-Fertigungsstraße. Das hier beschriebene Konzept kann darüber hinaus jedoch, wie beansprucht, ebenfalls im Rahmen anderer oder modifizierter Applikationenen, welche außerhalb des Automobil-Fertigungsbereichs liegen, angewendet werden. Beispielsweise könnte das vorgestellte Kon zept ebenso Anwendung im Bereich der Flugzeugherstellung oder einer sonstigen Fahrzeugherstellung als auch bei der Herstellung jeglicher Profilteile oder im Werkzeugbau angewendet werden. Die Erfindung erweist sich prinzipiell im Rahmen einer Vielzahl von Bearbeitungs- und Handlingapplikation, z. B. Kleben, Polieren, Montage, Fügen, Handling, als vorteilhaft, wo es um eine besonders positionsgenaue und hochautomatisierte Positionierung eines Objekts oder einer Bauteilaufnahme für ein Objekt oder eines Werkzeugs an einem Objekt geht, d. h. bei einer Applikation, bei der es auf eine Genauigkeit im Submillimeterbereich und hohe Taktfrequenzen im Hz- bis 10-Hz-Bereich ankommt.

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Zusammenhang mit einem Fertigungsplatz einer Automobil-Fertigungsstraße beschrieben und erweist sich dort als besonders nützlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik, insbesondere die eingangs genannte Broschüre, verwiesen.

Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
1 ein interferometrisches Messsystem zur Kalibrierung einer Robotik mit einer Positioniereinheit und einer daran manuell angebrachten Reflektoreinheit gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik;
2 ein Ablaufdiagramm einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt gemäß dem Konzept der Erfindung;
3 schematisch eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Messplatzes mit einem interferometrischen Messsystem, aufweisend ein Automatsystem und eine Tracking-Einheit und ein zu vermessendes Objekt gemäß dem Konzept der Erfindung;
4 eine schematische Detaildarstellung einer als einen taktilen Objekttaster ausgebildeten Positioniereinheit mit einem Kugelgehäuse und einem Kraft- und/oder Momentensensor gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
5A ein erstes Beispiel für eine interferometrische Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt erster Art durch eine taktile Positionierung eines eine Tastspitze bildenden Kugelgehäuses am Objekt gemäß dem Konzept der Erfindung;
5B ein zweites Beispiel für eine interferometrische Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt zweiter Art durch eine taktile Positionierung eines eine Tastspitze bildenden Kugelgehäuses am Objekt gemäß dem Konzept der Erfindung;
6 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Verwendung eines interferometrischen Messsystems in einer Automobil-Fertigungsstraße.
1 zeigt ein Kalibriersystem 100 gemäß dem Stand der Technik. Das Kalibriersystem 100 hat eine Robotik 1, die eine Positioniereinheit 3 in Form eines Roboterarms aufweist. Die Positioniereinheit 3 ist in der 1 in drei Positionen A, B, C gezeigt. An der Positioniereinheit 3 wurde eine Reflektoreinheit 5 manuell angebracht, die im Ausschnitt der 1 vergrößert dargestellt ist. Die Reflektoreinheit 5 ist bei dem Kalibriersystem 100 einzig zu Kalibrierungszwecken an der Positioniereinheit 3 angebracht und die Robotik bewegt sich im Übrigen wie übliche Automatsysteme rein positionsgeregelt auf programmierten Bahnen 7. Eine Objekt berührung ist bei dem Kalibriersystem 100 nicht vorgesehen. Vielmehr besteht bei dem in der 1 gezeigten Automatsystem 1 in der für das Kalibriersystem 100 vorgesehenen Ausführung der Nachteil, einer unzureichenden und ungenauen Positioniertätigkeit der Positioniereinheit 3. Die Ungenauigkeit entsteht durch Veränderungen im Laufe der Zeit an der Robotik und kann aufgrund der rein positionsgeregelten Bewegung der Reflektoreinheit 5 auf einer programmierten Bahn 7 ohne Berücksichtigung der auf die Reflektoreinheit 5 bzw. die Reflektoreinheit 3 wirkenden Kräfte bzw. Momente nicht korrigiert werden.
Die Reflektoreinheit 5 weist einen Reflektor 9 in einem Kugelgehäuse 11 auf. Die Reflektoreinheit 5 dient zur Reflexion eines interferometrischen Messstrahls 13. Vorliegend ist der Reflektor 9 in Form eines Tripelspiegels als Retroreflektor ausgebildet. Der reflektierte interferometrische Messstrahl 13 wird über eine Messstrahlnachführeinheit 15 einem Interferometer 17 zugeführt. Zusammen mit den Raumwinkeln und der interferometrisch ermittelten Länge des Messstrahls 13 wird ein Ort A, B, C der Reflektoreinheit bestimmt. Die Messstrahlnachführeinheit 15, das Interferometer 17 und eine Auswerteeinheit 19 sind Teil einer Tracking-Einheit 21, wie sie im Prospekt der Firma LEICA Geosystems „Tragbares Koordinatenmesssystem für kleine und große Objekte" (714.862DE-VI.2000) beschrieben ist. Die Tracking-Einheit 21 wird dort als Laser-Tracker bezeichnet. In dem Prospekt ist ausgeführt, dass der Reflektor 5 üblicherweise handgeführt ist – vorliegend ist er, wie oben erläutert, lediglich zu Kalibrierzwecken manuell an einer Positioniereinheit 3 einer Robotik 1 angebracht. Bei einem solchen rein positionsgeregelten Automatsystem bestehen Ungenauigkeiten, wenn eine Genauigkeitsanforderung für eine Robotik 1 extrem gesteigert wird. Vorliegend weist die Robotik 1 in der im Kalibriersystem 100 verwendeten Ausführungsform eine Positioniergenauigkeit im Millimeterbereich auf, was für die Einsatzzwecke der vorliegenden Erfindung unzureichend ist. Die Genauigkeitsanforderungen liegen für die Einsatzzwecke der vorliegenden Erfindung im Submillimeterbereich, vor allem unterhalb von 0,75 mm oder 0,5 mm oder 0,25 mm, insbesondere unterhalb von 100 μm. Dies ist insbesondere bezogen auf ein absolutes Messvolumen im Bereich zwischen 0,3 × 0,3 × 0,3 m³ und 5 × 5 × 5 m³. Die obere Grenze des beschriebenen Mess volumens entspricht im Wesentlichen der Größe eines Fertigungsplatzes in einer Automobilfertigungsstraße.
Im Unterschied zu einer sich zu kostenaufwändig erweisenden Möglichkeit der Überwachung einer Robotik 1 durch ein externes Sensorensystem, z. B. mittels Fotogrammetrie, verfolgt das Konzept der vorliegenden Erfindung einen völlig neuen Weg zur Steigerung der Positioniergenauigkeit einer Robotik für das Messsystem um mehrere Größenordnungen, wobei eine für die messtechnische und fertigungstechnische Automation notwendige hohe Arbeitsrate einer Robotik erhalten bleibt. Zum Beispiel ist bei einer Automobilfertigungsstraße an einem Fertigungsplatz von der Erledigung eines Autos pro Minute mit ca. 10 bis 100 Arbeitspunkten (etwa 0,1 Hz oder 1 Hz bis 10 Hz) auszugehen. Auch die im Folgenden vorgestellten Verfahren zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt, z. B. in Form einer Autokarosserie oder betreffend die Positioniergenauigkeit einer Bauteilaufnahme (auch Palette) für ein Objekt, sowie die Weiterbildung der Robotik 1 gemäß dem Konzept der Erfindung erfüllt Positioniergenauigkeiten im Sub-mm- bzw. im Sub-100-μm-Bereich bezogen auf ein absolutes Messvolumen im Bereich von 5 × 5 × 5 m³, wobei eine Arbeitsrate im Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz möglich ist.
Dennoch mag die in der 1 gezeigte Robotik 1, die Reflektoreinheit 11 und das Tracking-System 21 vorteilhaft als Grundlage für eine Weiterbildung gemäß dem neuen Konzept dienen, das im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele für ein entsprechendes Verfahren, ein Automatsystem, ein interferometrisches Messsystem und für einen Messplatz sowie eine Verwendung des interferometrischen Messsystems zur Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt an einem Fertigungsplatz einer Automobilfertigungsstraße beschrieben ist.
Ein solches gemäß der 2 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform beschriebenes Verfahren zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt kann beispielsweise die Ausmessung eines Fertigungsplatzes betreffen, der in Bezug auf 3 näher beschrieben wird. Eine solche Ausmessung ist Grundlage, insbesondere für die verbesserte Positionierung einer Autokarosserie oder einer Palette, an einem Fertigungsplatz und/oder gegebenenfalls für die verbesserte Positioniergenauigkeit der Robotik 1 mit den oben genannten hohen Maßgenauigkeitsanforderungen, um eine entsprechende Maßgenauigkeit bei der Fertigung, z. B. bei einer fügenden Bearbeitung oder dem Handling, einer Autokarosserie zu ermöglichen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform 20 des Verfahrens sieht gemäß der 2 nach einem Start 23 zunächst vor, dass eine Robotik und/oder eine Tracking-Einheit 21 vor einem ersten Positionierschritt 31 in einer Lernphase 24, einem Initialisierungsschritt 25 oder einem Überprüfungsschritt 26 initialisiert wird.
Eine Initialisierung 25 kann bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Reflektoreinheit an einer definierten Stelle, beispielsweise in einem an der Tracking-Einheit angebrachten Nest, abgelegt wird. Über die so definierte Weglänge zwischen einem Aufpunkt, z. B. einem Positionsdetektor oder dem Interferometer, und dem Nest wird in Abgleich mit einer interferometrischen Kalibrierungsmessung die Tracking-Einheit initialisiert. Die Initialisierung 25 für die Robotik 1 wird im Rahmen eines Bootvorgangs und eines Testdurchlaufs aller Komponenten, insbesondere für die Positioniereinheit, durchgeführt. Neben der Initialisierung 25 kann auch eine Überprüfung 26 der Tracking-Einheit 21 und/oder der Robotik 1 erfolgen. Dies wird in Bezug auf die 3 genauer erläutert. Für die Lernphase 24 kann eine Reflektoreinheit manuell mit einer der manuell geführten Bewegung folgenden und diese speichernden Robotik an einer bevorzugten Stelle positioniert werden.
Gemäß der in 2 gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform 20 eines Verfahrens zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt weist ein erster Positioniervorgang 31 zunächst einen Anfahrschritt 27 und dann einen Antastschritt 29 auf. Im Anfahrschritt 27 wird das Kugelgehäuse zunächst rein positionsgeregelt auf eine fest vorgegebene Grob-Position in der Nähe des Objekts positioniert. Im Antastschritt 29 wird das Kugelgehäuse als eine Tastspit ze von der gemäß dem Konzept der Erfindung weiter gebildeten und damit einen taktilen Objekttaster bildenden Positioniereinheit unter Berücksichtigung von auf das Kugelgehäuse wirkenden Kräften und/oder Momenten an dem Objekt positioniert. Die Robotik 1 wird dazu gemäß dem neuen Konzept dahin gehend weitergebildet, dass sie eine Regelschleife 33 zur Steuerung der weitergebildeten Positioniereinheit für eine taktile Positionierung der Reflektoreinheit an einem Objekt aufweist.
Danach erfolgt ein Einschaltvorgang 35, mit dem die Messwertaufnahme 37 am Objekt eingeleitet wird. Die Messwertaufnahme 37 kann einerseits als eine Einzelmessung 39 erfolgen. Dazu wird eine interferometrische Messung des Abstandes zwischen der Reflektoreinheit und dem Aufpunkt in Form einer Einzelmessung nach einer im Antastschnritt 29 vorgenommen und gleichbleibenden Positionierung der Reflektoreinheit vorgenommen.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verfahrmessung 41 vorgenommen werden. Bei einer Verfahrmessung wird eine interferometrische Messung des Abstands zwischen der Reflektoreinheit 41 und dem Aufpunkt bei laufender Abtastung des Objekts mit sich verändernder Positionierung vorgenommen. Eine Abtastung kann beispielsweise dadurch geregelt werden, dass die Positioniereinheit die Reflektoreinheit derart bewegt, dass eine Kraft- und/oder Momenten-Komponente auf das Gehäuse der Reflektoreinheit weitgehend konstant gehalten wird. Dabei werden vorzugsweise ständig Abstandswerte zwischen der Reflektoreinheit und dem Aufpunkt aufgenommen, beispielsweise mit einer Rate zwischen 100 Hz und 1000 Hz. Dazu wird besonders vorteilhaft für eine ausreichende Reflexion der Reflektor von der Positioniereinheit in jeder Bewegungsphase der Reflektoreinheit zur Strahlnachführeinheit hin gerichtet geführt. Bei einer derartigen Verfahrmessung 41 gilt es also zwei Nebenbedingungen zu beachten: Erstens führt die Positioniereinheit die Reflektoreinheit so, dass eine Kraft- und/oder Momentenkomponente auf die Reflektoreinheit weitgehend konstant gehalten wird und zum anderen ist die Reflektoreinheit so zu führen, dass der Reflektor in jeder Bewegungsphase zur Strahlnachführeinheit hin gerichtet ist. Die Verfahrmessung 41 wird aus diesem Grund durch eine weitere Regelschleife 43 zur Steuerung der Positioniereinheit für eine taktile Positionierung der Reflektoreinheit an einem Objekt unterstützt.
Nach der Messwertaufnahme 37 kann wahlweise wiederum eine kurze Überprüfung 26 der Robotik 1 und/oder der Tracking-Einheit 21 erfolgen. Danach kann das Automatsystem bzw. das interferometrische Messsystem gemäß dem neuen Konzept in einer Schleife 45 zu einem neuerlichen Positioniervorgang 31 veranlasst werden oder das Verfahren 20 im Schritt 47 beendet werden.
Das beschriebene Messverfahren 20 dient also der submillimetergenauen Kontrolle einer Positionierung und/oder Maßhaltigkeit eines Objektes, hier einer Palette, mit einer Arbeitsrate zwischen 0,1 Hz und 100 Hz. Das Verfahren dient einer hoch automatisierten Qualitätssicherung, bei der praktisch eine 100-%-Kontrolle durch eine submillimetergenaue Fehleraufdeckung erreicht wird. Ist eine gewisse Toleranz hinsichtlich einer Genauigkeit überschritten, werden Schritte zur Fehlerbehebung eingeleitet.
3 zeigt einen Messplatz 30 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, der entsprechend dem neuen Konzept in einem Fertigungsplatz integriert ist. Der Messplatz 30 weist ein interferometrisches Messsystem 10 auf, das vorliegend symbolisch dargestellt ist. Das interferometrische Messsystem 10 weist zur Ermittlung eines Maßes zu einem Objekt 49, hier eine Bauteilaufnahme, ein Automatsystem 1' in Form einer Palette für eine Autokarosserie und eine Tracking-Einheit 21' auf. Im Prinzip kann das Automatsystem 1' auf Grundlage des in 1 gezeigten Automatsystems aufgebaut sein, nämlich mit einer Robotik 1', aufweisend eine Positioniereinheit 3' sowie eine Reflektoreinheit 5', die zur Reflexion eines interferometrischen Messstrahls 7' an der Positioniereinheit 3' angebracht ist. Die Reflektoreinheit 5' hat einen Reflektor 9' in einem Kugelgehäuse 11'. Im Unterschied zur 1 bildet die Positioniereinheit 3' jedoch zusätzlich einen taktilen Objekttaster, wobei das Kugelgehäuse 11' eine Tastspitze des Objekttasters bildet und die Positioniereinheit 3' einen nachgiebigen Kraft- und/oder Momentensensor 51 aufweist. Der Kraft- und/oder Momentensensor 51 kann an einer zweckmäßigen Stelle in der Robotik 1' oder in der Positioniereinheit 3' angebracht sein.
Die Tracking-Einheit 21' weist ein Interferometer 17' und eine Messstrahlnachführeinheit 15' zur Ausrichtung des interferometrischen Messstrahls 7' auf die Reflektoreinheit 5' auf.
Ähnlich wie in der 1 ist der Reflektor 9' zentriert zum Mittelpunkt des Kugelgehäuses 11' im Kugelgehäuse 11' angeordnet und das Kugelgehäuse 11' bildet einen normierten und praktisch allseitigen Abstandshalter zwischen Oberfläche und Mittelpunkt des Kugelgehäuses 11'.
In einer ersten Modifikation des Messsystems 10 ist die Reflektoreinheit 5' fest an der Positioniereinheit 3' befestigt.
In einer zweiten Modifikation des Messsystems 10 ist die Reflektoreinheit 5' auswechselbar. Es hat sich gezeigt, dass es gegebenenfalls vorteilhaft ist, Reflektoreinheiten 5' mit unterschiedlicher Größe einzusetzen, die dann auswechselbar sind. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Kugelgehäuse 11' einer Reflektoreinheit 5' einen als allseitigen Messanschlag wirkenden Außendurchmesser zwischen 12,7 mm und 38,1 mm aufweist.
In einer dritten Modifikation des Messsystems 10 kann es vorteilhaft sein, modifizierte Kugelgehäuse 11'' einzusetzen, um beispielsweise spezielle Objekte auszumessen, wie dies im Rahmen von 5A und 5B erläutert ist. Auch dazu ist die Reflektoreinheit 5' vorteilhaft auswechselbar.
Wie oben erläutert, erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass der Reflektor 5' für eine ausreichende Reflexion von der Positioniereinheit 3' in jeder Bewegungsphase zur Strahl-Nachführeinheit hin gerichtet geführt wird. Dazu weist die Positioniereinheit 3' gemäß der 3 optional mindestens ein getrennt und spezi ell für die Positionierung der Reflektoreinheit 5' zusätzlich vorgesehenes Bewegungsmodul 53 auf.
Der Messplatz kann vorliegend für einen Fertigungsplatz einer Automobilfertigungsstraße ausgelegt sein und eine Größe von 5 m × 5 m × 5 m aufweisen, was durch das eingezeichnete Koordinatensystem 55 angedeutet ist. Das interferometrische Messsystem 10 gemäß der 3 dient vorliegend zur Ausmessung von Lochanordnungen 57 oder Stiftanordnungen 59, die zur definierten Aufnahme einer nicht dargestellten Autokarosserie auf der Palette dienen. Ist der Standplatz einer Autokarosserie im Sub-100-μm-Bereich bestimmt, so kann auch eine ausreichend genaue Bearbeitung derselben garantiert werden. Dies wird durch das oben erläuterte Verfahren gemäß der 2 an einem in 3 dargestellten Messplatz 30 ermöglicht. Zunächst werden die definierten Aufnahmen abgemessen und diese danach oder gegebenenfalls der gesamte Messplatz 30, d. h. insbesondere die Palette, nachjustiert. Das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung wird im Rahmen einer ersten Modifikation der anhand der 2 erläuterten besonders bevorzugten Ausführungsform also dazu verwendet, eine Korrektur bei einer Anordnung eines Objekts 49 an einem Messplatz 30 vorzunehmen. Dazu:

– gilt eine Positionierung des Kugelgehäuses 11' an dem Objekt 49 erst an einem Ort als erfolgt, bei dem auf das Kugelgehäuse 11' wirkende vorbestimmte Kräfte und/oder Momente auftreten;
– werden zeitliche Abweichungen im Ort bei auf derselben Weise wiederholten Positionierungen registriert; und
– wird eine Korrektur bei einer Anordnung des Objekts oder bei einer Programmierung eines Bearbeitungs- oder Handlingautomats auf Grundlage der Abweichungen vorgenommen.

Bei einem solchen Korrekturverfahren gemäß der ersten Modifikation wird also eine zeitliche Abweichung im Ort eines Objekts registriert. Dies ist z. B. relevant, wenn eine Vielzahl von baugleichen Autokarosserien zeitlich nacheinander auf ein und dieselbe Weise an einem Messplatz 30 platziert werden. Das System gemäß dem neuen Konzept registriert Abweichungen im Ort der Positionierung einer Palette, die für eine Positionierung einer weiteren Karosserie im Unterschied zu einer vorhergehenden Karosserie auftreten. Im Rahmen der oben erläuterten besonders bevorzugten Ausführungsform könnte ein solches Objekt 49 in Form einer Palette von der einen taktilen Objekttaster bildenden Positioniereinheit problemfrei vermessen werden. Es könnte auch eine Karosserie direkt vermessen werden. Gemäß der hier erläuterten ersten Modifikation könnte die Positioniereinheit 3' die Reflektoreinheit 5' zunächst an einem Ort positionieren, der in Bezug auf eine vorhergehende Palette/Autokarosserie der relevante war. Für den Fall, dass an diesem Ort die auftretenden Kräfte und/oder Momente im Rahmen gewisser angemessener Grenzen nicht mit denen übereinstimmen, die bei der vorhergehenden Palette/Autokarosserie vorlagen, bzw. solche Kräfte und/oder Momente gar nicht auftreten, zeigt dies, dass der Ort der weiteren Palette/Karosserie nicht mit dem Ort der vorhergehenden Palette/Karosserie übereinstimmt. Wird der Antastschritt 29 fortgeführt, führt dies zu einer Positionierung des Kugelgehäuses an der Palette/Autokarosserie. Der Unterschied zwischen der vorherigen Position und der tatsächlich an der Palette/Karosserie eingenommenen Position ist dann eine registrierte zeitliche Abweichung im Ort. Eine auf diese Weise bestimmte zeitliche Abweichung kann bei der nächsten wiederholten Anordnung des Objekts 49 als Korrekturwert eingehen. Diese Vorgehensweise führt z. B. bei Automobilfertigungsstraßen zu einer Positionierung von Automobilkarosserien mit einer zu bestehenden Fertigungsstraßen vergleichsweise hohen Genauigkeit im Submillimeter-Bereich oder darunter am Messplatz.
3 zeigt auch ein Eichmaß 61 in Form eines Stabes oder eines Tetraeders. Das Eichmaß 61 weist jeweils eine Anzahl von Nestern 63 auf, die an normierten Stellen des Eichmaßes 61 zur Aufnahme einer Reflektoreinheit 5' dienen und für diesen Fall ist der Abstand zwischen einer aufgenommenen Reflektoreinheit 5' im Nest 63 definiert. Ein Eichstab dient vorliegend zur Kalibrierung oder einer Ermittlung der Maßgenauigkeit eines interferometrischen Messsystems 10 in der Ebene. Ein ebenfalls als Eichmaß 61 dargestelltes Tetraeder hat die gleiche Funktion im Raum. Das Verfahren gemäß dem neuen Konzept wird in einer zweiten Modifika tion der anhand in 2 erläuterten besonders bevorzugten Ausführungsform also zur Kalibrierung und/oder zur Ermittlung einer Maßgenauigkeit, d. h. zur Überprüfung 26, insbesondere der Tracking-Einheit, verwendet. Dazu wird in der Modifikation

– das Kugelgehäuse 11' in einer normierten Sollposition 63 eines Eichmaßes positioniert;
– die Abmessung des Eichmaßes 61 interferometrisch ermittelt;
– die ermittelte Abmessung mit einer normierten Abmessung des Eichmaßes 61 verglichen.

Über eine etwaige Abweichung der ermittelten Abmessung von der normierten Abmessung des Eichmaßes 61 kann also die Maßgenauigkeit der Tracking-Einheit 21' ermittelt werden und gegebenenfalls auf dieser Grundlage kalibriert werden.
Insbesondere die Kombination des Verfahrens gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform mit einer Kalibrierung des Verfahrens gemäß der oben erläuterten ersten Modifikation und mit einer Korrektur bei einer Anordnung eines Objekts gemäß der oben erläuterten zweiten Modifikation führt zu einer bisher nicht dagewesenen Füge- und Handlinggenauigkeit bei einer Anordnung eines Objekts, welches insbesondere an einem Fertigungsplatz einer Automobilfertigunsstraße mit höchsten Genauigkeitsanforderungen von essentieller Bedeutung ist.
Die 4 zeigt symbolisch ein Detail eines interferometrischen Messsystems 10 gemäß dem neuen Konzept mit einer Robotik 1' und einer Tracking-Einheit 21'. Im Übrigen sind die gleichen Bezugszeichen wie in 3 verwendet. Gemäß 4 weist die Robotik 1' einen Regelkreis 65 auf, insbesondere zur Durchführung der in 2 gezeigten Regelschleifen 33 und 43. Der Regelkreis 65 nimmt am Objekt 49 wirkende Kräfte und/oder Momente auf, die auf das Kugelgehäuse 11' im Moment der taktilen Antastung wirken, und wertet diese aus. Darüber hinaus ist eine Rückkopplung 67 vorgesehen, die je nach Zweckmäßigkeit in einem ersten Zweig 69 auf übliche Gelenke 71 der Positioniereinheit 3' wirken kann und in einem weiteren Zweig 73 auch auf mindestens ein getrennt und speziell für die Positionierung der Reflektoreinheit 5' zusätzlich vorgesehenes Bewegungsmodul 53 wirken kann. Auf diese Weise wird vor allem sicher gestellt, dass der Reflektor 9' für eine ausreichende Reflexion von der Positioniereinheit 3' in jeder Bewegungsphase zur Strahlnachführeinheit 15' hin gerichtet geführt wird und zum anderen unter Einhaltung eines vordefinierten Kräfte- und/oder Momentenbereichs taktil tastend entlang der Oberfläche des Objekts 49 von der Positioniereinheit 3' geführt wird.
5A zeigt als ein Beispiel die Ausmessung eines Stifts 59 wie er symbolisch bereits in der 3 angedeutet ist. Die Reflektoreinheit 5' wird als eine Tastspitze von der einen taktilen Objekttaster bildenden Positioniereinheit 3' an der Oberfläche des Stifts 59 entlang geführt und beschreibt mit ihrem Mittelpunkt 75 eine Bahn 77 um die Oberfläche des Stifts 59 herum. Da das Kugelgehäuse 11' einen normierten Abstandshalter zwischen Oberfläche 79 und Mittelpunkt 75 bildet, legt der dadurch normierte Abstand ein Reduktionsmaß 81 fest, was zur Ermittlung eines Maßes betreffend den Stift 59 in die Berechnung eingeht. Eine entsprechende Berechnung und Anzeige der ermittelten Werte kann durch eine im interferometrischen Messsystem 10 implementierte Recheneinheit 19 vorgenommen werden, die beispielhaft in 1 gezeigt ist und für die Zwecke des neuen Konzepts anzupassen ist.
Zur Ausmessung einer bereits in 3 angedeuteten Ausnehmung 57 kann eine modifizierte Form einer Reflektoreinheit 5'' Anwendung finden, bei der das Kugelgehäuse 11'' einen stiftartigen Messanschlag 12 aufweist. In dem Fall wirkt das Kugelgehäuse in Richtung des Messanschlags 12 als ein räumlich orientierter Abstandsschalter. Der Messanschlag 12 kann über die Positioniereinheit 3' an der Innenberandung 83 der Ausnehmung 57 entlang geführt werden. Die exakte Höhenlage der oberen Kante 85 der Ausnehmung 57 ist unter Berücksichtigung des Reduktionsmaßes 81 zu ermitteln. Der Durchmesser D der Ausnehmung 57 ist unter Berücksichtigung des Reduktionsmaßes 82 zu berechnen. Die Reduktionsmaße 81 und 82 sind, wie bereits in der 5A auf den Mittelpunkt 75 der Reflektoreinheit 5'' bezogen.
5B zeigt auch, dass der interferometrische Messstrahl 7'' von einer Oberseite eines Messplatzes auf die Reflektoreinheit 5'' ausgerichtet ist. Dazu erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die hier gezeigte Tracking-Einheit oberhalb eines Messplatzes angebracht ist. Im Unterschied dazu zeigt die 3, dass das Automatsystem 1' und die Tracking-Einheit 21' so zueinander angeordnet sind, dass der interferometrische Messstrahl 7' von einer seitlichen Seite des Messplatzes 30 auf die Reflektoreinheit 5' ausgerichtet ist.
6 zeigt als eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Verwendung eine Automobilfertigungsstraße 60 mit einem Fertigungsband 90, das eine Zugstraße 91 und eine dafür gesehene Motorik und/oder Mechanik 93 aufweist. Die Fertigungsstraße 90 hat eine Vielzahl von Fertigungsplätzen 95 mit einem Objekt 49 beispielsweise in Form einer bereits in 3 gezeigten Palette oder einer darauf befindlichen Automobilkarosserie 97. Die Palette weist ähnlich wie in 3 Stifte 59 und Löcher 57 auf, die zur positionsgerechten und genauen Positionierung einer Automobilkarosserie 97 dienen. In zweckmäßig bestimmten Abständen ist an der Fertigungsstraße 90 ein zunächst als Kontrollsystem im Rahmen einer Qualitätssicherung vorgesehenes interferometrisches Messsystem 10 angeordnet, wie es bereits in Bezug auf 3 erläutert wurde. Durch einen beispielsweise in 2 genauer erläuterten taktilen Antastvorgang 29 wird eine Reflektoreinheit 5', 5'' durch eine Positioniereinheit 3' beispielsweise an einer Autokarosserie 97 oder an einem als Justiervorrichtung dienendem Loch 57 oder Stift 59 der Palette angelegt und wie beschrieben auf vorteilhafte Weise vermessen, beispielsweise gemäß einem in 5A oder 5B erläuterten Beispiel. Auf diese Weise wird also eine Überwachung der Fahrgenauigkeit der Fertigungsstraße 90 im Submillimeterbereich bestimmt. Ungenauigkeiten, die durch einen thermischen oder mechanischen Drift in der Motorik und/oder Mechanik 93 der Fertigungsstraße 90 oder durch Verbiegungen oder sonstige Ungenauigkeiten im Fertigungsband 91 auftreten können werden somit erkannt, quantifiziert und können entsprechend durch eine im Fertigungsband 90 vorgesehene Nachjustierung für einen Fertigungsplatz 95, z. B. hinsichtlich einer Palette, vorgenommen werden. Mit einer in 6 gezeigten Anordnung kann also nicht nur eine Ungenauigkeit in einer Fertigungsstraße durch ei nen Messplatz, der im Submillimeterbereich arbeitet, vermieden werden – vielmehr ist es mit dem neuen Konzept möglich, ein Objekt 49, z. B. eine Palette, mit einer Genauigkeit unterhalb von 1 mm, insbesondere 100 μm, zu platzieren und/oder zu vermessen. Bezogen auf das Gesamtvolumen eines Fertigungsplatzes von durchschnittlich 5 × 5 × 5 m³ bzw. bezogen auf das Gesamtvolumen einer Fertigungsstraße, die mehrere hundert Meter lang sein kann, entspricht dies einer mit üblichen Methoden nie erreichten relativen Genauigkeit im Bereich von 10^–5 bis 10^–7.
Driftvorgänge einer Roboterkinematik und mechanische Ungenauigkeiten bei einem Mess- und Fertigungsplatz führen zwangsläufig zu einer begrenzten Genauigkeit bei einer Objektbearbeitung an einem Mess- und Fertigungsplatz. Erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit wurden bislang durch eine regelmäßige Kalibrierung eines Automatsystems ausgeglichen, die jedoch umständlich ist und die Genauigkeitsbegrenzung letztlich nicht beseitigt. Um eine automatisierte Bearbeitung eines Objekts 49 mit einer jenseits bisheriger Genauigkeitsgrenzen liegenden Positionsmessung und gleichzeitig möglichst hoher Bearbeitungsfrequenz zu ermöglichen, wird vorliegend ein Verfahren 20 zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt 49 sowie ein entsprechendes Automatsystem 1', ein interferometrisches Messsystem 10, ein Messplatz 30 und eine Verwendung 60 des interferometrischen Messsystems 10 angegeben. Das Konzept sieht insbesondere ein Automatsystem mit einer Robotik 1', aufweisend eine Positioniereinheit 3'; eine Reflektoreinheit 5', 5'', aufweisend einen Reflektor 9', 9'' in einem Kugelgehäuse 11', 11''; vor, wobei die Positioniereinheit 3' zusätzlich einen taktilen Objekttaster bildet, wobei das Kugelgehäuse 11', 11'' eine Tastspitze des Objekttasters bildet und die Positioniereinheit 3' einen nachgiebigen Kraft- und/oder Momentensensor 51 aufweist.

1, 1 ': Robotik/Automatsystem
3, 3': Positioniereinheit
5, 5', 5'': Reflektoreinheit/Reflektor
7: programmierbare Bahnen
7', 7'': interferometrischer Messstrahl
9, 9', 9'': Reflektor
10: interferometrisches Messsystem
11, 11', 11'': Kugelgehäuse
12: stiftartiger Messanschlag
13: interferometrischer Messstrahl
15, 15': Messstrahlnachführeinheit
17, 17': Interferometer
19: Auswerteeinheit
20: Verfahren
21, 21': Tracking-Einheit/Tracking-System
23: Start des Verfahrens 20
24: Lernphase
25: Initialisierung
26: Überprüfung
27: Anfahrschritt
29: Antastschritt
30: Mess- und Fertigungsplatz
31: Positionierschritt/-vorgang
33: Regelschleife
35: Einschaltvorgang
37: Messwertaufnahme
39: Einzelmessung
41: Verfahrmessung
43: Regelschleife
45: Schleife
47: Schritt
49: Objekt
51: Kraft- und/oder Momentensensor
53: Bewegungsmodul
55: Koordinatensystem
57: Lochanordnungen/Ausnehmung/Löcher
59: Stiftanordnungen/Stift
60: Automobilfertigungsstraße/Verwendung
61: Eichmaß
63: Nest, Sollposition
65: Regelkreis
67: Rückkopplung
69: Zweig
71: Gelenke
73: Zweig
75: Mittelpunkt
77: Bahn
79: Oberfläche
81, 82: Reduktionsmaße
83: Innenberandung
85: obere Kante
90: Fertigungsband/Fertigungsstraße
91: Zugstraße
93: Motorik/Mechanik
95: Fertigungsplätze
97: Automobilkarosserie/Autokarosserie
100: Kalibriersystem
A, B, C,: Positionen der Positioniereinheit 3
D: Durchmesser

Claims

Verfahren (20) zur interferometrischen Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt (49), bei dem – ein interferometrischer Messstrahl (7', 7'') über eine Messstrahl-Nachführeinheit (15') einer Tracking-Einheit (21') auf eine Reflektoreinheit (5', 5'') gerichtet wird, die an einer Positioniereinheit (3') einer Robotik (1') angebracht ist; – der interferometrische Messstrahl (7', 7'') von der Reflektoreinheit (5', 5'') mittels eines in einem Gehäuse (11', 11'') untergebrachten Reflektors (9', 9'') reflektiert wird; – der reflektierte interferometrische Messstrahl (7', 7'') über die Messstrahl-Nachführeinheit (15') einem Interferometer (17') der Tracking-Einheit (21') zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass – in einem Antastschritt (29) das Gehäuse (11', 11'') als eine Tastspitze von der einen taktilen Objekttaster bildenden Positioniereinheit (3'), unter Berücksichtigung von auf das Gehäuse (11', 11'') wirkenden Kräften und/oder Momenten, an dem Objekt (49) positioniert wird; und – in einer Messwertaufnahme (27) über eine interferometrische Messung des Abstands zwischen der Reflektoreinheit (3') und einem Aufpunkt in der Tracking-Einheit (21') ein Maß betreffend das Objekt (49) hergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11', 11'') in Form eines Kugelgehäuses gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11', 11'') als ein Abstandshalter mit vorgegebener räumlicher Orientierung gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß zu dem Objekt (49) mit einer Maßgenauigkeit jenseits von 1 mm, insbesondere 0,75 mm, 0,5 mm, 0,25 mm und insbesondere jenseits von 0,1 mm, bezogen auf ein absolutes Messvolumen im Bereich zwischen 0,3 × 0,3 × 0,3 m³ und 5 × 5 × 5 m³ hergeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß zu dem Objekt (49) mit einer Messwertaufnahme-Taktrate im Bereich zwischen 0,1 Hz und 10 Hz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Robotik (1') und/oder die Tracking-Einheit (21') vor dem Positionierschritt (31) einer Lernphase (24), einem Initialisierungsschritt (25) oder einem Überprüfungsschritt (26) unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Positionieren (31) das Gehäuse (11', 11'') in einem Anfahrschritt (27) zunächst rein positionsgeregelt auf eine fest vorgegebene Grob-Position positioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (9', 9'') für eine ausreichende Reflexion von der Positioniereinheit (3') in jeder Bewegungsphase zur Strahl-Nachführeinheit (15') hin gerichtet geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine interferometrische Messung des Abstands zwischen der Reflektoreinheit (5', 5'') und dem Aufpunkt in Form einer Einzelmessung (39) nach einer gleichbleibenden Positionierung der Reflektoreinheit (5', 5'') erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine interferometrische Messung des Abstands zwischen der Reflektoreinheit (5', 5'') und dem Aufpunkt in Form einer Verfahrmessung (41) bei laufender Antastung (29) des Objekts (49) mit sich verändernder Positionierung der Reflektoreinheit (5', 5'') erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gehäuse (11', 11'') in einer normierten Sollposition (63) eines Eichmaßes (61) positioniert wird; – die Abmessung des Eichmaßes (61) interferometrisch ermittelt wird; – die ermittelte Abmessung mit einer normierten Abmessung des Eichmaßes (61) verglichen wird; – für das Verfahren eine Maßgenauigkeit ermittelt und/oder eine Kalibrierung vorgenommen wird, insbesondere für die Tracking-Einheit (21').
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Positionierung des Gehäuses (11', 11'') an dem Objekt (49) erst an einem Ort als erfolgt gilt, bei dem auf das Gehäuse (11', 11'') wirkende vorbestimmte Kräfte und/oder Momente auftreten; – zeitliche Abweichungen im Ort bei auf derselben Weise wiederholten Positionierungen registriert werden; und – eine Korrektur bei einer Anordnung des Objektes (49) und/oder bei einer Programmierung eines Bearbeitungs- oder Handlingautomats auf Grundlage der Abweichungen vorgenommen wird.
Automatsystem (1'), mit – einer Robotik (1'), aufweisend eine Positioniereinheit (3'); und – einer Reflektoreinheit (5', 5''), die zur Reflexion eines interferometrischen Messstrahls (7', 7'') an der Positioniereinheit (3') angebracht ist, aufweisend einen Reflektor (9') in einem Gehäuse (11', 11''), dadurch gekennzeichnet, dass – die Positioniereinheit (3') zusätzlich einen taktilen Objekttaster bildet, wobei – das Gehäuse (11', 11'') eine Tastspitze des Objekttasters bildet, und – die Positioniereinheit (3') einen nachgiebigen Kraft und/oder Momenten-Sensor (51') aufweist.
Automatsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11', 11'') in Form eines Kugelgehäuses gebildet ist.
Automatsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (9', 9'') zentriert zum Mittelpunkt (75) des Kugelgehäuses (11', 11'') im Kugelgehäuse (11', 11'') angeordnet ist und das Kugelgehäuse (11', 11'') einen normierten Abstandshalter zwischen Oberfläche (79) und Mittelpunkt (75) des Kugelgehäuses (11', 11'') bildet.
Automatsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheit (5', 5'') fest an der Positioniereinheit (3') befestigt ist.
Automatsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheit (5', 5'') auswechselbar ist.
Automatsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelgehäuse (11', 11'') einer Reflektoreinheit (5, 5''') einen als Messanschlag wirkenden Außendurchmesser (D) zwischen 12,7 mm und 38,1 mm hat.
Automatsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11', 11'') einen stiftartigen Messanschlag (12) aufweist.
Automatsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Robotik (1') einen Regelkreis (65) mit Rückkopplung (67, 69, 73) zur Steuerung der Positioniereinheit (3') für eine taktile Positionierung der Reflektoreinheit (5', 5'') an einem Objekt (49) unter Aufnahme und/oder Auswertung der auf das Gehäuse (11', 11'') wirkenden Kräfte und/oder Momente, aufweist.
Automatsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinheit (3') mindestens ein getrennt und speziell für die Positionierung der Reflektoreinheit (5', 5'') zusätzlich vorgesehenes Bewegungsmodul (53) aufweist.
Interferometrisches Messsystem (10) zur Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt (49), mit – einem Automatsystem (1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und – einer Tracking-Einheit (21'), aufweisend ein Interferometer (17') und eine Messstrahl-Nachführeinheit (15') zur Ausrichtung des interferometrischen Messstrahls (7', 7'') auf die Reflektoreinheit (5', 5'').
Messplatz (30), aufweisend ein interferometrisches Messsystem (10) nach Anspruch 22 und ein zu vermessendes Objekt (49).
Messplatz nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatsystem (1') und die Tracking-Einheit (21') so zueinander angeordnet sind, dass der interferometrische Messstrahl (7', 7'') von einer seitlichen Seite des Messplatzes (30) auf die Reflektoreinheit (5', 5'') ausgerichtet ist.
Messplatz nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatsystem (1') und die Tracking-Einheit (21') so zueinander angeordnet sind, dass der interferometrische Messstrahl (7', 7'') von einer Oberseite oder Unterseite des Messplatzes (30) auf die Reflektoreinheit (5', 5'') ausgerichtet ist.
Verwendung des interferometrisches Messsystems (10) nach Anspruch 22 zur Ermittlung eines Maßes betreffend ein Objekt (49) an einem Fertigungsplatz einer Automobil-Fertigungsstraße.