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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur berührungslosen Positionsbestimmung eines Objektes,
insbesondere eines Werkzeuges eines Industrieroboters.–
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Bei
der automatisierten Fertigung mit Industrierobotern kommen unterschiedliche
Roboterwerkzeuge für die Handhabung und Bearbeitung von
Bauteilen zum Einsatz. Je nach Bearbeitungsprozess werden beispielsweise
Greifer, Zangen, Brenner oder Schneider eingesetzt. Der sogenannte
Arbeitspunkt der Roboterwerkzeuge ("Tool Center Point" TCP) beschreibt
die Position des Werkzeug-Arbeitspunktes, d. h. eines für
das jeweilige Werkzeug kennzeichnenden Punktes, bezüglich
des Flanschkoordinatensystems des Roboters.
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In
einem sogenannten Teach-in-Prozess können die Roboterpositionen,
die zur Bearbeitung des Bauteils benötigt werden, manuell
angefahren und in einem Programm abgespeichert werden. Das gelernte
Programm wird während des Produktionsprozesses vom Roboter
mit einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit abgefahren und garantiert
somit eine gleichbleibende Qualität der produzierten Güter.
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Im
Laufe der Zeit kann es zu einer geometrischen Veränderung
des Roboterwerkzeuges kommen. So kann sich durch Kollisionen, Verschleiß oder den
Austausch von Werkzeugen die Geometrie und damit der TCP des Roboterwerkzeuges
verändern. Die tatsächlich abgefahrene Robotertrajektorie weicht
dann von der ursprünglich gelernten Bahn ab. Dies hat zur
Folge, dass die produzierten Güter mit verminderter Qualität
produziert werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, die Position
eines Werkzeuges eines Industrieroboters vollautomatisch zu ermitteln.
Durch Vergleich der solcherart ermittelten Ist-Position mit einer
theoretischen Soll-Position oder einer früher bestimmten
Ist-Position, kann eine entsprechende Korrektur der gelernten Bahn
erfolgen.
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Aus
der
DD 215 645 A1 ist
eine Vorrichtung zur berührungslosen Positionsbestimmung
von Objekten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei dieser
Vorrichtung sind drei CCD-Zeilen in einer Ebene angeordnet und erfassen
eine Abschattung bzw. Reflektion durch ein in der Ebene angeordnetes
Objekt. Aus dieser Abschattung bzw. Reflektion kann im Durchlicht-
bzw. Auflichtverfahren die Position und Kontur des Objektes in der
Messebene bestimmt werden.
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Die
Vorrichtung gemäß der
DD 215 645 A1 weist mehrere
Nachteile auf. Zum einen kann Fremd-, insbesondere Streulicht, welches
in die CCD-Zeilen einfällt, die Messergebnisse stark verfälschen.
Bestrahlt beispielsweise eine nicht vorgesehene Lichtquelle außerhalb
der Messebene eine oder mehrere CCD-Zeilen, wird die Präzision
der Messung stark beeinträchtigt. Zum anderen kann das Objekt
nur in der geschlossenen Messebene platziert werden, so dass eine
dreidimensionale Positionsbestimmung, die die Erfassung in mehreren
Messebenen erfordert, nicht realisiert werden kann.
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Aus
der
US 5,457,367 und
der
US 6,356,808 B1 ist
weiterhin eine Vorrichtung zur berührungslosen Positionsbestimmung
von Objekten bekannt, bei der die Position eines Objektes mittels
einer vom Objekt zu durchbrechenden Lichtschranke erfasst wird. Auch
bei diesen Vorrichtungen wird das Messergebnis durch Streulichteinflüsse
stark beeinträchtigt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bzw. ein
Verfahren zur berührungslosen Positionsbestimmung von Objekten
zur Verfügung zu stellen, die gegenüber Fremdlichteinflüssen
weniger empfindlich sind.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch
13 stellt das zugehörige Verfahren unter Schutz.
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Eine
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur
berührungslosen Positionsbestimmung eines Werkzeugs eines
Industrieroboters geeignet und wird daher nachfolgend anhand dieses
Beispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf
beschränkt.
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Die
Vorrichtung umfasst einen Lichtempfänger zur Erfassung
von Lichtintensitätsunterschieden in einer definierten
Messebene. Erfindungsgemäß ist der Lichtempfänger
in einem Gehäuse angeordnet, das eine Durchgangsöffnung
senkrecht zu der Messebene aufweist. Am Umfang der Durchgangsöffnung
ist ein Spalt in dem Gehäuse derart ausgebildet, dass Licht
im Wesentlichen nur in der Messebene auf den Lichtempfänger
treffen kann.
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Das
Gehäuse wirkt somit als Blende und schirmt den Lichtempfänger
gegen störende Fremd-, insbesondere Streulichteinflüsse,
ab und erhöht somit die Präzision der Positionsbestimmung.
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Da
die Messebene in einer Durchgangsöffnung des Vorrichtungsgehäuses
definiert ist, ist es möglich, Objekte relativ zur Messebene
durch diese hindurch zu bewegen. Damit wird es im Gegensatz zur
DD 215 645 A1 möglich,
die Position des Objektes auch drei- oder höherdimensional
zu erfassen. Unter Position wird vorliegend insofern die zwei- oder dreidimensionale
Lage des Objekts und/oder die (beispielsweise durch Euler- oder
Kardanwinkel beschreibbare) zwei- oder dreidimensionale Orientierung
im Raum verstanden.
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Bevorzugt
ist das Gehäuse bis auf den Spalt geschlossen ausgebildet.
Dies schützt die Lichtempfänger nicht nur vor
Fremd-, insbesondere Streulicht, sondern auch vor anderen schädlichen
Umwelteinflüssen, wie Staub, Flüssigkeiten, Funkenflug
oder dergleichen, wie sie in der Umgebung von Industrierobotern
häufig vorkommen.
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Vorteilhafterweise
kann das Gehäuse mehrteilig ausgebildet sein, was die Montage
der Lichtquellen und der Lichtempfänger im Gehäuse
vereinfacht. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse hierzu
in der Messebene teilbar sein, da in diesem Fall der Spalt erst
nach der Montage entsteht, da die Gehäusehälften
nicht dicht miteinander abschließen müssen.
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Die
Durchgangsöffnung bzw. das Gehäuse können
in der Messebene eine offene Kontur aufweisen, i. e. beispielsweise
U-förmig ausgebildet sein. Dies erleichtert die kollisionsfreie
Einführung des zu vermessenden Objektes. Bevorzugt weist
die Durchgangsöffnung bzw. das Gehäuse in der
Messebene jedoch eine geschlossene Kontur auf. Dies erhöht nicht
nur die Stabilität des Gehäuses, sondern erlaubt
auch eine optimale Verteilung bzw. Anordnung des Lichtsensors.
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Ein
Gehäuse mit geschlossener Kontur kann beispielsweise eine
rechteckige, insbesondere quadratische Form, aufweisen. Bevorzugt
ist die Kontur der Durchgangsöffnung und/oder des Gehäuses
jedoch rotationssymmetrisch ausgebildet, was eine kostengünstige
Herstellung auf einer Drehmaschine ermöglicht.
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Der
Lichtsensor umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von Einzelsensoren,
beispielsweise CCD-Zeilen, die längs des Umfanges der Durchtrittsöffnung
angeordnet sind. Durch die Abschattung bzw. Beleuchtung der an verschiedenen
Stellen des Umfangs der Durchgangsöffnung verteilten Einzelsensoren
kann dann die Kontur und Position des zu vermessenden Objektes in
der Messebene erfasst werden. Dabei können redundante überbestimmte Messungen
durch Mittelung, beispielsweise nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate
oder dergleichen, die Präzision der Messung erhöhen.
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Der
Lichtsensor kann im Durchlicht- oder Auflichtverfahren messen. Hierzu
kann Umgebungslicht verwendet werden. Besonders vorteilhaft wird jedoch
hierzu gezielt Licht in der Messebene ausgestrahlt, das von dem
Lichtsensor empfangen werden kann. In einer bevorzugten Ausführung
umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung daher
eine Lichtquelle, die derart angeordnet ist, dass sie Licht im Wesentlichen
in der Messebene in die Durchgangsöffnung emittieren kann.
Hierzu kann die Lichtquelle, die bevorzugt eine Mehrzahl von Einzelquellen,
beispielsweise LEDs, umfasst, im Gehäuse derart angeordnet
sein, dass sie Licht durch den Spalt in die Messebene emittiert.
Vorteilhaft kann dabei das Gehäuseinnere teilweise oder
ganz verspiegelt sein, so dass von der Lichtquelle ausgestrahltes
Licht, welches anfänglich nicht in Richtung des Spaltes
gerichtet ist, vom Gehäuseinneren reflektiert wird, bis
es aus dem Spalt austritt. Hierdurch wird die Lichtintensität
in der Messebene und damit die Präzision der Messung erhöht.
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Der
Spalt kann über den Umfang der Durchgangsöffnung
im Wesentlichen kontinuierlich, das heißt durchgehend,
ausgebildet sein. Dies erleichtert die Herstellung des Spaltes und
Gehäuses sowie die Anordnung des Lichtsensors und gegebenenfalls
der Lichtquelle. Gleichermaßen kann der Spalt jedoch auch
unterbrochen ausgebildet sein und besonders bevorzugt nur in den
Bereichen des Lichtsensors bzw. der Lichtquelle eine Öffnung
zur Messebene hin definieren. Dies verringert die Eintrittsmöglichkeiten für
störende Umwelteinflüsse, wie Feuchtigkeit, Staub,
Funkenflug oder dergleichen und erhöht die Stabilität
des Gehäuses.
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Insbesondere,
um solche Umwelteinflüsse von dem Lichtsensor bzw. der
Lichtquelle und einer Verarbeitungselektronik, die bevorzugt im
Gehäuseinneren angeordnet sein kann, fernzuhalten, ist
der Spalt in einer bevorzugten Ausführung mit einer Abdeckung
verschließbar. Diese kann in einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung lichtdurchlässig ausgebildet
sein. Eine solche lichtdurchlässige Abdeckung kann dauernd
im Spalt verbleiben und schützt dessen Gehäuseinneres
vor Umwelteinflüssen, ohne die Ausstrahlung oder den Empfang
von Licht durch den Lichtsensor bzw. die Lichtquelle wesentlich
zu beeinträchtigen. Durch entsprechende Einfärbung
einer solchen Abdeckung kann vorteilhafterweise das ausgestrahlte
bzw. erfasste Licht auf einen bestimmten Wellenlängenbereich
begrenzt werden, so dass Fremdlicht anderer Wellenlängen
das Messergebnis nicht verfälscht. Beispielsweise kann
eine rot filternde Abdeckung nur sichtbares Licht im Bereich der Wellenlänge
von 630 nm durchlassen und so andersfarbiges Fremdlicht ausfiltern.
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Zusätzlich
oder alternativ kann die Abdeckung den Spalt auch nur während
des Messvorganges freigeben und so einerseits den Lichtein- bzw. -austritt
von Lichtsensor bzw. -quelle geringstmöglich beeinträchtigen
und andererseits die im Gehäuseinneren aufgenommenen Bauteile
weitestmöglich vor Umwelteinflüssen schützen.
Das Schließen und öffnen des Spaltes kann dabei
automatisch beim Messvorgang ausgelöst werden.
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Je
höher die Anzahl der Einzelsensoren bzw. -quellen, desto
höher wird – aufgrund der Überbestimmtheit – die
Präzision des Messergebnisses. Daher ist es vorteilhaft,
an möglichst vielen Stellen längs des Umfanges
der Durchgangsöffnung zu messen.
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Auf
der anderen Seite stellen Lichtsensor bzw. -quelle teure und defektanfällige
Bauteile dar. In einer bevorzugten Ausführung sind daher
Lichtsensor und/oder Lichtquelle längs des Umfanges der Durchgangsöffnung
verfahrbar, so dass sukzessive an mehreren Stellen längs
des Umfanges der Durchgangsöffnung Licht durch eine Einzelquelle
ausgesandt bzw. durch einen Einzelsensor erfasst werden kann. Vorteilhaft
können beide Ansätze auch derart miteinander kombiniert
sein, dass ein Lichtsensor, der mehrere Einzelsensoren umfasst und/oder
eine Lichtquelle, die mehrere Einzelquellen umfasst, längs
des Umfanges der Durchgangöffnung verfahrbar sind, was
einerseits die Anzahl der benötigten Einzelsensoren und
-quellen reduziert und andererseits die Anzahl von nötigen
Verfahrvorgängen verringert.
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Durch
die Anordnung von Lichtsensor und ggf. Lichtquelle in einem Gehäuse
wird gleichzeitig ein kompaktes optisches Messsystem zur Verfügung gestellt.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.
Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 eine
Vorrichtung nach einer ersten Ausführung der vorliegenden
Erfindung in der Draufsicht;
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2 die
Vorrichtung nach 1 im seitlichen Schnitt;
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3 eine
Vorrichtung nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden
Erfindung in der Draufsicht;
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4 die
Lage eines Objektes während einer Positionsbestimmung nach
einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht;
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5 die
Lage eines Objektes relativ zur Messebene während einer
Positionsbestimmung nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung;
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6 die
Lage eines Objektes relativ zur Messebene während einer
Positionsbestimmung nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung;
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7 die
Lage eines Objektes relativ zu zwei Messebenen bei der Positionsbestimmung
nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
und
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8 eine
Vorrichtung nach einer dritten Ausführung der vorliegenden
Erfindung in der Draufsicht.
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1 zeigt
eine Vorrichtung nach einer ersten Ausführung der vorliegenden
Erfindung in der Draufsicht. In einem teilbaren, ringförmigen
Gehäuse 3 sind gleichmäßig über
dessen Umfang verteilt drei Einzelquellen in Form von LEDs 1,
die zusammen eine Lichtquelle bilden, und drei Einzelsensoren in Form
von CCD-Zeilen 2, die zusammen einen Lichtsensor bilden,
verteilt. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich
ist, weist das ringförmige Gehäuse 3 längs seines
Innenumfanges einen durchgehenden Spalt 9 auf, durch den
sich eine Messebene 5 erstreckt. Die Lichtquelle 1 und
der Lichtsensor 2 senden bzw. empfangen Licht in der Messebene 5 durch
den Spalt 9.
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Taucht,
wie in 1 angedeutet, ein Messobjekt 6, beispielsweise
ein Roboter-geführtes Werkzeug, wie ein Schweißbrenner
oder eine Schweißzange, in diese Messebene 5 ein,
so wird mit dem Durchlichtverfahren die Position des Messobjektes 6 bestimmt.
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Das
Gehäuse 3 übernimmt insofern die Funktion
einer Blende, da es verhindert das Fremdlicht, insbesondere Streulicht,
auf den Lichtsensor 2 trifft und das Messergebnis verfälscht.
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In
einer nicht dargestellten Weiterbildung der ersten Ausführung
gemäß 1, 2 ist der
Spalt 9 durch ein lichtdurchlässiges Material,
beispielsweise Glas, Plexiglas oder einen anderen lichtdurchlässigen
Kunststoff, verschlossen und schützt so das Gehäuseinnere
und insbesondere die darin angeordneten Sensoren und Quellen 1, 2 vor
Staub, Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen.
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Vorteilhaft
ist jedem Einzelsensor 2 gegenüberliegend eine
Einzelquelle 1 angeordnet, wobei die Positionen von Lichtsensor
und -quelle relativ zum Koordinatensystem der Vorrichtung konstruktiv
bekannt oder durch ein geeignetes Kalibrierverfahren ermittelt worden
sind.
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Das
von einer Einzelquelle 1 emittierte Licht tritt durch den
Spalt 9 in die Durchgangsöffnung des ringförmigen
Gehäuses 3 aus und an der Gegenseite durch den
Spalt 9 wieder ein, um auf den geeignet positionierten
Einzelsensor 2 zu treffen. Zwischen Lichtsensor und -quelle
entsteht auf diese Weise ein Lichtteppich, der die Messebene 5 des
Messsystems definiert.
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Sobald
ein Objekt 6 die Messebene 5 durchdringt, verursacht
dessen Kontur einen Schattenwurf auf mindestens einem Einzelempfänger 2.
Die Objektkontur lässt sich anhand der Änderung
der Helligkeit auf dem Sensor 2 erfassen. Insbesondere
lassen sich Richtungsvektoren ermitteln, die Tangenten an das Objekt 6 bilden,
wie in 4 schematisch dargestellt. Aus jeweils zwei dieser
Tangenten 4.1, 4.2 wird eine Winkelhalbierende 4.3 bestimmt,
die die Eigenschaft besitzt, durch den Flächenschwerpunkt
des Objekts 6 zu führen. Der Schnitt von mindestens
zwei solchen Winkelhalbierenden 4.3, die nicht parallel
zueinander sind, liefert den Objektflächenschwerpunkt, der
die Position, in diesem Fall die Lage des Objektes 6, in
zwei Dimensionen bezüglich der Messebene 5, beschreibt.
Diese Position kann beispielsweise in X-, Y-Koordinaten der Messebene 5 angegeben
werden.
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Die
dritte Dimension der Lage des Objektes 6, insbesondere
seine Z-Koordinate, lässt sich beispielsweise über
ein Bisektionsverfahren ermitteln. Hierzu bewegt der Roboter durch
eine Auswerteelektronik 4 der Vorrichtung geführt,
das Objekt 6 durch die Durchgangsöffnung und damit
die Messebene 5 hindurch, beispielsweise entlang der Z-Achse
senkrecht zur Messebene 5.
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Jedes
Mal, wenn das Objekt 6 aus der Messebene 5 austritt
bzw. in die Messebene 5 eintritt, wird die Bewegungsrichtung
umgekehrt, so dass das Bewegungsintervall immer kleiner wird. Unterschreitet
das Bewegungsintervall schließlich einen gewissen Grenzwert,
hat sich das Objekt 6 mit seiner Spitze mit ausreichender
Genauigkeit der Messebene 5 angenähert und der
zugehörige Wert wird als dritte Koordinate der Lage des
Flächenschwerpunktes abgespeichert.
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Diese
dritte Lagekoordinate kann alternativ, wie in 5 schematisch
dargestellt, auch über eine zusätzliche, zu der
vorhandenen Messebene 5 nicht parallele, vorzugsweise senkrechte
Messebene 5' ermittelt werden, die durch eine weitere Vorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung definiert wird. Hierdurch kann die dritte
Koordinate 12 direkt gemessen werden, ohne auf Positionsdaten
des Roboters zurückgreifen zu müssen.
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Eine
vierte bzw. fünfte Dimension der Position des Objektes 6,
i. e. eine Orientierung im Raum, kann durch die Positionsmessung
des Objektes 6 in zwei Dimensionen (X, Y) in mindestens
zwei Messebenen 5 entlang der dritten Dimension erfolgen.
Hierfür bieten sich zwei Verfahren an. Nach einem ersten, in 6 schematisch
dargestellten, wird das Objekt 6 entlang der dritten Dimension
um einen bekannten Wert 13 verschoben und aus der Änderung
des Flächenschwerpunktes in der Messebene 5 die
Orientierung des Objektes 6 ermittelt. Hierzu kann, wie
in Bezug auf 4 dargestellt, sowohl in einer
ersten Position (in 6 durchgezogen) als auch in
einer hiervon um den Abstand 13 verschobenen zweiten Position
(in 6 gestrichelt dargestellt) der Schwerpunkt 11, 11' der
Kontur des Objektes 6 in der Messebene 5 erfasst
werden. Eine Gerade 14 durch den Schwerpunkt in der Messebene 5 in
der zweiten Position (gestrichelt in 6) und den
um den Abstand 11 verschobenen Schwerpunkt der ersten Position (in 6 durchgezogen)
definiert dann die Lage des Objektes 6 im Raum relativ
zur Messebene 5.
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Nach
einem zweiten, in 7 schematisch dargestellten
Verfahren sind zwei parallele Messebenen 5, 5' um
einen Abstand 15 gegeneinander verschoben. Wird nun für
ein Objekt 6, welches beide Messebenen 5, 5' durchdringt,
in beiden Ebenen jeweils anhand des mit Bezug auf 4 dargestellten Verfahrens
der Schwerpunkt der Kontur in der jeweiligen Messebene bestimmt,
definiert eine Gerade 14 durch die beiden Schwerpunkte 11, 11' wiederum
die Lage des Objektes 6 relativ zu den Messebenen 5, 5'.
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3 zeigt
in der Draufsicht eine Vorrichtung nach einer zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu der mit Bezug auf 1, 2 dargestellten
Ausführung ist hier nur ein Einzelsensor in Form einer
CCD-Zeile 2 und eine Einzelquelle in Form einer LED 1 vorhanden,
die relativ zueinander fest, jedoch, wie durch Pfeile 8 angedeutet, längs
des Umfanges der Durchgangsöffnung im ringförmigen
Gehäuse 3 verfahrbar sind. Wird die Anordnung
aus Lichtsensor 2 und -quelle 1 nacheinander in die
in 1 gezeigten Positionen verfahren und jeweils (bei
feststehendem Objekt 6) eine Messung durchgeführt,
kann die Position des Objektes 6 relativ zur Messebene 5 auf
dieselbe Weise bestimmt werden, wie dies vorstehend mit Bezug auf
die erste Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde.
Vorteilhafterweise ist hierfür eine geringere Anzahl von
Einzelsensoren und -quellen erforderlich.
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8 zeigt
eine Vorrichtung nach einer dritten Ausführung der vorliegenden
Erfindung. Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführung
ist hier das Gehäuse 3 nicht ring-, sondern U-förmig
ausgebildet, wobei zwei Einzelquellen in Form von LEDs 1 derart
in den Schenkeln des Gehäuses 3 angeordnet und
ausgerichtet sind, dass das von den LEDs 1 durch den Spalt 9 emittierte
Licht auf die zugeordneten CCD-Zeilen 2 trifft, somit einen
Lichtteppich bzw. eine Messebene ausbilden, so dass eine Detektion des
Objektes 6, wie in Bezug auf 4 dargestellt, erfolgen
kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DD 215645
A1 [0006, 0007, 0014]
- - US 5457367 [0008]
- - US 6356808 B1 [0008]