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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kommandierung eines Bewegungssystems mit einer Messeinrichtung, wobei das Bewegungssystem mindestens eine Bewegungsachse und einen Werkzeugbefestigungspunkt aufweist und die Messeinrichtung wenigstens einen Messfühlerreferenzpunkt und eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Position des Messfühlerreferenzpunktes aufweist.
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Unter dem Begriff ”Bewegungssystem” werden vorliegend alle Vorrichtungen verstanden, die dazu in der Lage sind, einen Messfühler zu bewegen, um den Messfühler an bestimmte Positionen zu bringen. Häufig werden Industrieroboter als Bewegungssysteme verwendet, jedoch kann das Bewegungssystem auch eine mobile Plattform sein. Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise in der industriellen Messtechnik eingesetzt, um die Einhaltung von Produktabmessungen zu überprüfen etc. In der Regel muss das Bewegungssystem dazu den Messfühler nacheinander in eine Reihe vorbestimmter Positionen verfahren. Die tatsächliche Position des Messfühlers bzw. eines Messfühlerreferenzpunktes, z. B. der Messfühlerspitze, wird dann von einer Sensoreinrichtung berührungslos erfasst, etwa auf optische, kapazitive oder induktive Weise. Dabei muss der Messfühler das zu messende Objekt nicht unbedingt berühren, vielmehr kann die eigentliche Messung auch berührungslos erfolgen, beispielsweise mittels eines Laserstrahls.
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Problematisch ist in diesem Zusammenhang die Programmierung des Bewegungssystems, auch Teaching genannt. Für einen Anwender besteht die intuitivste Art der Programmierung darin, den mit dem Bewegungssystem verbundenen Messfühler zu nehmen und ihn manuell zu den gewünschten Messpunkten zu führen. Dies ist beispielsweise möglich, indem am Bewegungssystem ein zusätzliches Eingabegerät montiert wird, etwa ein Kraft-Momenten-Sensor (siehe z. B.
WO 2007/096322 A2 ) oder eine sogenannte SPACEMOUSE
®. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Bewegungssystem, z. B. einen Roboter, in einer gravitationskompensierten Betriebsart zu betreiben, in der das Bewegungssystem einer manuell erfolgenden Bewegung seines Messfühlers keinen spürbaren Widerstand entgegensetzt. Die zuvor angeführten Möglichkeiten bedingen aber einen teils erheblichen konstruktiven und apparativen Aufwand und führen somit zu signifikanten zusätzlichen Kosten.
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Aus der
DE 10 2004 020 099 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beeinflussen eines mehrachsigen Handhabungsgeräts bekannt. Die Vorrichtung dient zur Vorgabe von Bewegungen von Mehrachsmaschinen, insbesondere also zum sogenannten Teachen von Punkten und Bahnen, und ist separat von dem Handhabungsgerät ausgebildet, das beispielsweise ein Industrieroboter sein kann. Die Beeinflussungsvorrichtung steht mittels einer Signalübertragungseinrichtung in Verbindung mit dem Handhabungsgerät, wobei die Signalübertragung vorzugsweise drahtlos erfolgt. Beim Teachen wird die Beeinflussungsvorrichtung zu gewünschten Punkten einer zu teachenden Bewegungsbahn bewegt (Bewegungsvorgabe), woraufhin dem bis dahin stillstehenden Handhabungsgerät (Roboter) erlaubt wird, eine Bewegung hin zu dem mittels der Beeinflussungsvorrichtung vorgegebenen Punkt zu vollziehen (Bewegungsfreigabe). Dieser Vorgang wird gegebenenfalls mehrfach wiederholt, um dem Handhabungsgerät die gesamte, gewünschte Bewegungsbahn beizubringen. Die Beeinflussungsvorrichtung kann ferner einen Kraft-Momenten-Sensor aufweisen, um sie mit einer gewünschten Kraft beispielsweise auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu drücken und dadurch dem Handhabungsgerät zusätzlich zu den Bewegungsdaten beispielsweise auch eine bestimmte Einwirkkraft auf ein Werkstück beizubringen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur intuitiven Programmierung eines Bewegungssystems mit einer Messeinrichtung anzugeben, die einfacher und damit preiswerter zu realisieren ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, wie es den Patentansprüchen 1 und 3 angegeben ist. Die erfindungsgemäße Lösung basiert darauf, eine Elastizität zwischen dem Messfühlerreferenzpunkt und dem Bewegungssystem vorzusehen, beispielsweise also den Messfühler nachgiebig am Bewegungssystem zu montieren, was es ermöglicht, den Messfühlerreferenzpunkt manuell relativ zum Bewegungssystem zu verlagern. Ein Anwender kann somit den Messfühler ergreifen und in eine gewünschte Richtung bewegen, wobei das Bewegungssystem dieser Verlagerung des Messfühlers zunächst nicht folgt. Die aufgrund der Verlagerung des Messfühlers, genauer seines Referenzpunktes, erreichte Position kann mittels der Sensoreinrichtung bestimmt werden. Die Position des Bewegungssystems, genauer eines Werkzeugbefestigungspunktes des Bewegungssystems, ist aus der Ausgangsstellung des Bewegungssystems bekannt bzw. kann aus ihr ermittelt werden. In der einfachsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 3 kann auf der Grundlage dieser beiden bekannten Positionen eine Differenz zwischen der Position des Messfühlerreferenzpunktes und der Ausgangsposition des Werkzeugbefestigungspunktes berechnet und daraufhin das Bewegungssystem derart kommandiert werden, dass sich der Werkzeugbefestigungspunkt zur Position des Messfühlerreferenzpunktes hin bewegt. Mit dem Ausdruck ”zur Position des Messfühlerreferenzpunktes hin bewegt” ist nicht notwendigerweise gemeint, dass der Werkzeugbefestigungspunkt schlussendlich genau die Position des Messfühlerreferenzpunktes einnimmt, stattdessen kann der Werkzeugbefestigungspunkt einen vorbestimmten Abstand oder Versatz zur Messfühlerreferenzpunktposition einhalten (sog. Positionsoffset). Der Messfühlerreferenzpunkt steht in einer bekannten geometrischen Beziehung zum Messfühler. Er kann beispielsweise durch eine Spitze des Messfühlers gebildet sein, er kann jedoch auch als Markierung auf oder in dem Messfühler vorhanden sein.
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Bei einer abgewandelten, im Patentanspruch 1 wiedergegebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die aufgrund der Ähnlichkeit mit der Funktionsweise eines menschlichen Armes ein besonders feinfühliges und gleichzeitig schnelles manuelles Teachen ermöglicht, werden die aufgrund der Verlagerung des Messfühlerreferenzpunktes durch die Elastizität auf den Werkzeugbefestigungspunkt des Bewegungssystems wirkenden Kräfte und Momente berechnet, vorzugsweise auf der Basis eines Nachgiebigkeitsmodells des Bewegungssystems, welches auch die erfindungsgemäß vorgesehene Elastizität enthält. Sodann werden für Kräfte und Momente, die in einem Endzustand auf den Werkzeugbefestigungspunkt wirken, Sollwerte vorgegeben und es wird das Bewegungssystem derart kommandiert, dass diese Sollwerte für Kräfte und Momente tatsächlich auf den Werkzeugbefestigungspunkt wirken. Dies ist dann der Fall, wenn der Werkzeugbefestigungspunkt der ausgeführten Verlagerung des Messfühlerreferenzpunktes im gewünschten Umfang gefolgt ist. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Sollwerte für auf den Werkzeugbefestigungspunkt wirkende Kräfte und Momente jeweils Null, sie können bei anderen Ausführungsformen jedoch von Null verschieden sein, etwa um ein vorbestimmtes Losbrechmoment zu realisieren.
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Bei beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens muss nicht abgewartet werden, bis der Messfühlerreferenzpunkt einen Messpunkt erreicht hat, die Nachführung des Bewegungssystems kann bereits beginnen, wenn sich der Messfühlerreferenzpunkt zum Messpunkt hin bewegt.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Elastizität zwischen dem Messfühlerreferenzpunkt und dem Werkzeugbefestigungspunkt vorgesehen. Beispielsweise kann der Messfühler elastisch nachgiebig am Werkzeugbefestigungspunkt befestigt sein. Gemäß einer Abwandlung dieser Ausführungsform kann die Elastizität auch virtuell ausgebildet sein, etwa nach Art eines virtuellen Gummibandes zwischen dem Messfühlerreferenzpunkt und dem Werkzeugbefestigungspunkt. Eine solche virtuell vorhandene Elastizität kann Teil eines gerechneten Modells des Bewegungssystems sein, wobei die jeweils berechneten Kräfte und Momente nicht notwendigerweise mit den tatsächlich wirkenden Kräften und Momenten übereinstimmen müssen. Als Hilfestellung beim manuellen Teachen lassen sich so beispielsweise bestimmte Bewegungsrichtungen leichtgängiger als andere gestalten.
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Bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Messfühlerreferenzpunkt starr mit dem Werkzeugbefestigungspunkt verbunden und die Elastizität ist dem Bewegungssystem inhärent, d. h. das Bewegungssystem selbst ist ausreichend nachgiebig, um eine manuelle Verlagerung des Messfühlerreferenzpunktes zu gestatten. Beispielsweise können die das Bewegungssystem bildenden Bauteile in Summe so elastisch sein, dass eine Verlagerung des Messfühlerreferenzpunktes bezüglich des Bewegungssystems möglich ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine gewünschte Elastizität in einem Lager der Bewegungsachse (oder mehreren Lagern der Bewegungsachsen) des Bewegungssystems vorgesehen sein. Bei einer solchen Ausführung können die das Bewegungssystem bildenden Bauteile selbst starr sein.
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Insbesondere wenn die Elastizität in Lagern des Bewegungssystems vorgesehen ist, kann diese Elastizität bei bevorzugten Ausgestaltungen arretierbar ausgebildet sein. Beim Programmieren bzw. Teachen des Bewegungssystems wird dann die Elastizität freigegeben, während sie im normalen Betrieb in der Regel arretiert und damit nicht wirksam ist, was die Bewegungsgenauigkeit des Bewegungssystems erhöht. Auch im normalen Betrieb kann die Elastizität allerdings freigegeben sein, beispielsweise um das Bewegungssystem und die Messeinrichtung vor zu hohen Kräften zu schützen, wie sie bei einer Kollision auftreten können.
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Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zu Beginn desselben ein Abgleich der Ausgangsposition des Werkzeugbefestigungspunktes und der Position des Messfühlerreferenzpunktes in kraftfreiem Zustand vorgenommen, d. h. ohne dass eine Kraft an dem Messfühlerreferenzpunkt angreift. Auf diese Weise wird der Ausgangszustand präzise ermittelt und alle nachfolgenden Verlagerungen des Messfühlerreferenzpunktes lassen sich auf diesen Ausgangszustand beziehen. Zur Kalibrierung im gesamten Arbeitsraum kann ein solcher Abgleich an einer vorbestimmten Zahl von Stützstellen innerhalb des Arbeitsraumes vorgenommen werden.
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Bei manchen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sensoreinrichtung ortsfest gehalten. Dies ist jedoch keine notwendige Bedingung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, es muss lediglich die Lage der Sensoreinrichtung immer bekannt sein. Bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sensoreinrichtung zusammen mit einer Bewegungsachse des Bewegungssystems bewegt. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung an der ersten Bewegungsachse des Bewegungssystems montiert sein. Auf diese Weise lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein großer Arbeitsraum erzielen.
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Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung so ausgebildet, dass die Erfassung der Position des Messfühlerreferenzpunktes berührungslos stattfindet.
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Schließlich kann im erfindungsgemäßen Verfahren eine Kraft-Momenten-Messung zur Ermittlung von Berührungskräften beim Kontakt des Messfühlerreferenzpunktes mit einem Gegenstand bzw. Messobjekt vorhanden sein. Dies dient einerseits zum Schutz des Messfühlers vor Überlastung und ermöglicht andererseits das Aufbringen einer definierten Berührungskraft auf die Messstelle.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf einachsige Bewegungssysteme sowie auf Bewegungssysteme mit beliebig vielen Bewegungsachsen anwendbar. Es führt zu einer intuitiven, einfachen Bedienung des Bewegungssystems mit seiner Messeinrichtung und erzeugt kaum zusätzliche Kosten, da vorhandene Messsysteme genutzt werden können. Ferner bietet es die Möglichkeit, die Positionsbestimmung durch die Messeinrichtung und die Positionsermittlung des Bewegungssystems als Redundanz beispielsweise für ein Sicherheitskonzept zu benutzen, welches bestimmte Bewegungen des Bewegungssystems verhindert und/oder Verfahrwege geeignet begrenzt.
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Zwei derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete, beispielhafte Vorrichtung,
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2 ein Verfahrensschema eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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3 ein Verfahrensschema eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung gezeigt, die zur Ausführung eines Verfahrens zur Kommandierung eines Bewegungssystems mit einer Messeinrichtung geeignet ist. Die Vorrichtung 10 ist lediglich beispielhaft und soll das Verständnis der Erfindung erleichtern helfen.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ein als Messroboter 12 ausgeführtes Bewegungssystem mit einer ersten Bewegungsachse 14, einer zweiten Bewegungsachse 15, einer dritten Bewegungsachse 16, einer vierten Bewegungsachse 17, einer fünften Bewegungsachse 18 und einer sechsten Bewegungsachse 19. Bei der ersten, vierten und sechsten Bewegungsachse handelt es sich um Rollachsen, während die zweite, dritte und fünfte Bewegungsachse jeweils eine Knickachse ist.
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Der Messroboter 12 hat eine Basis 20, ein erstes Robotersegment 21, ein zweites Robotersegment 22, ein drittes Robotersegment 23, ein viertes Robotersegment 24, ein fünftes Robotersegment 25 und ein sechstes Robotersegment 26. Am freien Ende des sechsten Robotersegments 26 befindet sich ein Werkzeugbefestigungspunkt 28, an dem mittels einer elastisch nachgiebigen Aufhängung 30 ein Messfühler 32 befestigt ist. Der Messfühler 32 hat eine hier nicht dargestellte Messfühlerspitze, die im gezeigten Ausführungsbeispiel den Messfühlerreferenzpunkt bildet.
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Eine Sensoreinrichtung 34 ist dazu in der Lage, die Position der Messfühlerspitze berührungslos zu erfassen, beispielsweise auf optische, kapazitive oder induktive Art. Die Sensoreinrichtung 34 steht mit einem Rechner 36 in Verbindung, der beispielsweise ein geeignet programmierter PC sein kann.
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Der Rechner 36 steht in Verbindung mit einer Robotersteuerung 38, die hier separat dargestellt ist, in der Praxis jedoch zum Teil in Form von Software im Rechner 36 enthalten ist und zum anderen Teil in Form von Antriebskomponenten einschließlich zugehörigerer Ansteuerungsbauteile im Messroboter 12 verkörpert ist.
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2 zeigt anhand eines Blockdiagramms ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Kommandierung eines Bewegungssystems mit einer Messeinrichtung. Das Verfahren dient dazu, den Messroboter 12 auf einfache und intuitive Art und Weise dazu zu programmieren, die Messfühlerspitze des Messfühlers 32 nacheinander an vorbestimmte Messstellen zu bringen. Hierzu ergreift ein Benutzer einfach den Messfühler 32 und führt dessen Messfühlerspitze mit der Hand zur ersten gewünschten Messstelle.
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In der Vorrichtung 10 laufen dabei folgende Vorgänge ab: Zu Beginn des Verfahrens berechnet ein Teilbereich 38a der Robotersteuerung 38 die Ausgangsposition des Werkzeugbefestigungspunktes 28 anhand der ihr bekannten Abmessungen und Drehstellungen der Robotersegmente 21, 22, 23, 24, 25, 26 und der Bewegungsachsen 14, 15, 16, 17, 18, 19. Hierzu werden die Winkelstellungen der einzelnen Bewegungsachsen 14, 15, 16, 17, 18, 19 eingelesen und die Lage des Werkzeugbefestigungspunktes 28 wird mit Hilfe der Vorwärtskinematik berechnet. Bei der Berechnung wird in der Regel von einem ideal steifen Roboter ausgegangen. Ist der Roboter in sich ”weich”, d. h. elastisch nachgiebig, so kann zur Verbesserung der Ergebnisgenauigkeit die Nachgiebigkeit der Segmente und/oder Antriebe in die Berechnung mit einbezogen werden. Die erhaltene Position des Werkzeugbefestigungspunktes 28 wird an einen Block 40 weitergegeben, der ein numerisches Modell des Messroboters 12 enthält. Im Falle einer im Bewegungssystem inhärent enthaltenen Elastizität können auch die Stellungswinkel der einzelnen Bewegungsachsen weitergegeben werden.
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Die Sensoreinrichtung 34 ermittelt die sich aufgrund der manuellen Verlagerung des Messfühlers 32 ergebende, neue Position der Messfühlerspitze und liefert diese ebenfalls an den Block 40. Das im Block 40 enthaltene, numerische Modell des Messroboters 12 errechnet basierend auf der neuen Position der Messfühlerspitze Kräfte und Momente, die auf den Werkzeugbefestigungspunkt 28 wirken, und führt diese berechneten Kräfte und Momente einem Regler 42 zu.
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Das numerische Modell des Messroboters 12 kann unterschiedlich detailliert ausgeführt sein. Es kann kinematische, elastische und dynamische Eigenschaften des Roboters bzw. Bewegungssystems und der Aufhängung 30 beschreiben. Im einfachsten Fall erhält man vom Teilbereich 38a der Robotersteuerung 38 die Koordinaten des Werkzeugbefestigungspunktes 28, alternativ auch die berechnete Position der Messfühlerspitze. Die auf den Messfühler wirkenden Kräfte können aus der errechneten Messfühlerspitzenposition, der gemessenen Messfühlerspitzenposition und dem Modell der Aufhängung 30 berechnet werden.
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Das numerische Modell der Aufhängung 30 beschreibt eine räumliche Feder, d. h. es werden zumindest für alle interessierenden Raumrichtungen (maximal sechs) Federkennlinien angenommen. Diese können lineare, quadratische oder beliebige Form aufweisen und müssen nicht unbedingt mit der realen Federkennlinie der Aufhängung 30 übereinstimmen. Bei einem ideal steifen Roboter beschränkt sich das numerische Modell (Nachgiebigkeitsmodell) auf die Nachbildung der eingefügten Elastizität, im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels also auf die Aufhängung 30. Bei einem sehr ”weichen” Roboter kann in Kenntnis der Stellungswinkel der einzelnen Bewegungsachsen die Nachgiebigkeit auf einzelne Gelenke bzw. Antriebe und Segmente zurückgeführt werden.
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Ein Block 44 enthält Sollwerte für Kräfte und Momente, wie sie in einem Endzustand auf den Werkzeugbefestigungspunkt 28 wirken sollen. Diese Sollwerte werden ebenfalls dem Regler 42 zugeführt. Der Regler 42 vergleicht die Istwerte der Kräfte und Drehmomente im Werkzeugbefestigungspunkt 28 mit den Sollwerten aus dem Block 44 und gibt nach einem Regelalgorithmus die Stellgrößen aus. Mit anderen Worten erstellt der Regler 42 auf der Basis der ihm zugeführten Sollwerte sowie der ihm ebenfalls zugeführten berechneten Kräfte und Momente Steueranweisungen für einen Teilbereich 38b der Robotersteuerung 38, damit jene den Werkzeugbefestigungspunkt 28 des Messroboters 12 der manuell erfolgten Verlagerung der Messfühlerspitze so nachführt, dass die auf den Werkzeugbefestigungspunkt 28 wirkenden Kräfte und Momente den im Block 44 vorgegebenen Sollwerten entsprechen. Dies geschieht kontinuierlich. Im Teilbereich 38b werden die vom Regler 42 gelieferten Stellgrößen mit Hilfe der inversen Kinematik in Stellgrößen für die einzelnen Bewegungsachsen umgerechnet. Damit werden die Antriebe der Bewegungsachsen zur Ausführung der gewünschten Bewegung angesteuert. Die vom Messroboter 12 jeweils ausgeführten Nachführbewegungen werden in der Robotersteuerung 38 oder an anderer geeigneter Stelle abgespeichert, so dass der Messroboter 12 nach Beendigung der Programmierung die gewünschten Messstellen selbsttätig anfahren kann.
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3 zeigt als Blockdiagramm ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Kommandierung eines Bewegungssystems mit einer Messeinrichtung, das gegenüber dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dahingehend vereinfacht ist, dass der das numerische Modell des Messroboters 12 enthaltende Block 40 entfällt. Stattdessen werden die vom Teilbereich 38a der Robotersteuerung 38 berechnete Ausgangsposition des Werkzeugbefestigungspunktes 28 und die von der Sensoreinrichtung 34 ermittelte Position der Messfühlerspitze einem Vergleicher 46 zugeführt, der aus den beiden vorgenannten Positionen eine Differenz bildet und dem Regler 42 zuführt, der aus dieser Differenz Steueranweisungen für den Teilbereich 38b der Robotersteuerung 38 zum Nachführen des Werkzeugbefestigungspunktes 28 erstellt.
