DE102013204282B4 - Method for measuring an adjustable end effector and arrangement for carrying out such a method - Google Patents

Method for measuring an adjustable end effector and arrangement for carrying out such a method Download PDF

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    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

Verfahren zum Messen einer räumlichen Orientierung von Modulen (8) eines einstellbaren Endeffektors (5) mit mehreren Modulen (8), die miteinander mithilfe mehrachsiger Gelenke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen jeweils eine zylindrische Oberfläche mit einer optischen Strahlung (14, 15) beaufschlagt und ein Reflexionssignal ausgewertet wird, wobei jeweils an zwei in Erstreckungsrichtung einer Längsachse (6) der zylindrischen Oberfläche voneinander beabstandeten Positionen (P1, P2) Messungen in zwei Koordinatenachsrichtungen durchgeführt werden, um eine räumliche Ausrichtung der Längsachse (6) der zylindrischen Oberfläche zu bestimmen.Method for measuring a spatial orientation of modules (8) of an adjustable end effector (5) with a plurality of modules (8) which are connected to one another with the aid of multi - axial joints, characterized in that in each case a cylindrical surface with an optical radiation (14, 15 ) is applied and a reflection signal is evaluated, in each case at two in the extension direction of a longitudinal axis (6) of the cylindrical surface spaced positions (P1, P2) measurements in two coordinate axes are performed to a spatial orientation of the longitudinal axis (6) of the cylindrical surface determine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer räumlichen Orientierung von Modulen eines einstellbaren Endeffektors mit mehreren Modulen, die miteinander mithilfe mehrachsiger Gelenke verbunden sind und Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for measuring a spatial orientation of modules of an adjustable end effector with a plurality of modules which are interconnected by means of multi-axis joints and arrangement for carrying out such a method.

Aus der DE 20 2007 004 999 U1 ist eine Positioniereinrichtung bekannt für Aufbauten, insbesondere Werkzeuge, wobei die Positioniereinrichtung mehrachsig verstellbar ist und mindestens zwei Arme aufweist, die untereinander und mit einem Sockel sowie einem Kopfteil gelenkig und arretierbar verbunden sind und die Positioniereinrichtung für eine maschinelle Verstellung, z. B. mittels eines oder mehrerer Manipulatoren oder Roboter ausgebildet ist, um eine einfachere und bessere Positioniertechnik für Aufbauten, insbesondere Werkzeuge, aufzuzeigen.From the DE 20 2007 004 999 U1 a positioning device is known for structures, in particular tools, wherein the positioning device is multiaxially adjustable and has at least two arms which are connected to one another and with a base and a headboard articulated and lockable and the positioning device for a mechanical adjustment, z. B. by means of one or more manipulators or robots is designed to show a simpler and better positioning technology for structures, in particular tools.

Aus der DE 10 2007 039 384 A1 ist eine Handhabungsvorrichtung bekannt für mehrachsige Handhabungsmaschinen, insbesondere Roboter zur Handhabung unterschiedlicher Bauteile mit einem Trägerelement, an dem mindestens ein mit mindestens einem passiven Gelenk versehener Arm befestigt ist, an dessen Ende ein Werkzeug angeordnet ist, wobei dem mindestens einen Gelenk eine Klemmvorrichtung zu seinem Fixieren in vorwählbarer Lage zugeordnet ist und wobei im nicht fixierten Zustand das mindestens eine Gelenk frei beweglich ist, um eine Handhabungsvorrichtung für eine mehrachsige Handhabungsmaschine, insbesondere für Roboter, zur Handhabung unterschiedlicher Bauteile zu schaffen, die eine hohe Flexibilität bei geringerem technischen Aufwand gegenüber herkömmlichen aktiven Kinematiken mit vergleichbarer Flexibilität aufweisen.From the DE 10 2007 039 384 A1 a handling device is known for multi-axis handling machines, in particular robots for handling different components with a support member to which at least one provided with at least one passive joint arm is attached, at the end of a tool is arranged, wherein the at least one joint a clamping device for fixing it is assigned in pre-selectable position and wherein in the unfixed state, the at least one joint is freely movable to provide a handling device for a multi-axis handling machine, especially for robots, to handle different components, the high flexibility with less technical effort compared to conventional active kinematics have comparable flexibility.

Aus der DE 10 2007 055 119 A1 ist ein Roboter bekannt umfassend einen Roboterarm, ein an dem Roboterarm angeordnetes Werkzeug, eine gelenkige Verbindung, die das Werkzeug zwischen unterschiedlichen Relativpositionen beweglich mit dem Roboterarm verbindet und eine Gelenkachse aufweist, bezüglich der das Werkzeug und der Roboterarm relativ zueinander wenigstens einen Freiheitsgrad der Bewegung aufweisen, und eine Fixiereinrichtung für eine lösbare Fixierung des Werkzeugs in wahlweise jeweils einer der Relativpositionen, wobei das Werkzeug bei gelöster Fixierung über die gelenkige Verbindung in dem wenigstens einen Freiheitsgrad der Bewegung frei beweglich mit dem Roboterarm verbunden ist, um die operationelle Flexibilität eines Roboters im Hinblick auf kurze Rüstzeiten auf preiswerte Weise zu verbessern.From the DE 10 2007 055 119 A1 For example, a robot is known comprising a robot arm, a tool disposed on the robot arm, a hinged connection that movably connects the tool between different relative positions with the robot arm and has a hinge axis with respect to which the tool and the robot arm have at least one degree of freedom of movement relative to each other , and a fixing device for releasably fixing the tool in either one of the relative positions, the tool being freely movably connected to the robot arm when the fixing is released via the articulated connection in the at least one degree of freedom of movement in order to provide operational flexibility of a robot to improve on short set-up times in a cheap way.

Aus dem Dokument DE 10 2010 039 945 A1 ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung bekannt, wobei ein Lichtstrahl über einen beweglichen Spiegel und ein drehsymmetrisches optisches Element zu einem Reflektor gelenkt, der von dem Reflektor reflektierte Lichtstrahl detektiert, und eine Position eines Objekts auf Basis des detektierten reflektierten Lichtstrahls bestimmt wird.From the document DE 10 2010 039 945 A1 For example, a method for determining a position is known, wherein a light beam is directed via a movable mirror and a rotationally symmetrical optical element to a reflector, which detects the light beam reflected by the reflector, and a position of an object is determined on the basis of the detected reflected light beam.

Das Dokument EP 1 804 034 A1 betrifft ein System zum überwachen einer Düsenposition eines Bearbeitungswerkzeugs zum Versprühen von Flüssigkeiten. Das System weist eine Lichtquelle, einen Reflektor und einen Fotodetektor auf. Die Lichtquelle und der Fotodetektor sind feststehend angeordnet. Der Reflektor ist fest an der Düse montiert, um einen Lichtstrahl der Lichtquelle zu reflektieren.The document EP 1 804 034 A1 relates to a system for monitoring a nozzle position of a processing tool for spraying liquids. The system includes a light source, a reflector, and a photodetector. The light source and the photodetector are fixedly arranged. The reflector is fixedly mounted to the nozzle to reflect a light beam from the light source.

Aus dem Dokument US 6 775 013 B2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt zum Messen eines Verlagerungs- oder Bewegungsfehlers bei einem rotierenden Objekt, wie Werkzeugmaschinenspindel, mithilfe eines Laserstrahls, der auf eine vorzugsweise gekrümmte Reflexionsfläche gerichtet ist.From the document US Pat. No. 6,775,013 B2 For example, a method and apparatus are known for measuring a displacement or movement error in a rotating object, such as a machine tool spindle, by means of a laser beam directed at a preferably curved reflecting surface.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Insbesondere soll ein berührungsloses Messen ermöglicht werden. Insbesondere sollen Messfehler reduziert werden. Insbesondere soll ein absolutes Messen unabhängig von einem Startpunkt ermöglicht werden. Insbesondere soll ein Einfluss von Erschütterungen reduziert werden. Insbesondere soll ein Einfluss einer Temperatur reduziert werden. Insbesondere soll ein Messaufwand reduziert werden. Insbesondere soll eine Messgenauigkeit erhöht werden. Insbesondere soll eine Messgeschwindigkeit erhöht werden. Insbesondere soll eine mechanische Koppelung beim Messen vermieden werden. Insbesondere sollen Probleme durch ferromagnetisehe oder leitende Teile vermieden werden. Insbesondere soll ein Messen auch in Innenräumen zuverlässig ermöglicht sein. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.The invention has for its object to improve a method mentioned above. In particular, a contactless measurement should be possible. In particular, measurement errors are to be reduced. In particular, an absolute measurement should be made possible independently of a starting point. In particular, an influence of vibrations should be reduced. In particular, an influence of a temperature should be reduced. In particular, a measurement effort should be reduced. In particular, a measurement accuracy should be increased. In particular, a measurement speed should be increased. In particular, a mechanical coupling during measurement should be avoided. In particular, problems should be avoided by ferromagnetisehe or conductive parts. In particular, a measurement should be reliably enabled indoors. In addition, the invention has for its object to provide an arrangement for carrying out such a method.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zum Messen einer räumlichen Orientierung von Modulen eines einstellbaren Endeffektors mit mehreren Modulen, die miteinander mithilfe mehrachsiger Gelenke verbunden sind, wobei zum Messen jeweils eine zylindrische Oberfläche mit einer optischen Strahlung beaufschlagt und ein Reflexionssignal ausgewertet wird, wobei jeweils an zwei in Erstreckungsrichtung einer Längsachse der zylindrischen Oberfläche voneinander beabstandeten Positionen Messungen in zwei Koordinatenachsrichtungen durchgeführt werden, um eine räumliche Ausrichtung der Längsachse der zylindrischen Oberfläche zu bestimmen.The object is achieved by a method for measuring a spatial orientation of modules of an adjustable end effector with a plurality of modules, which are connected to each other by means of multi-axis joints, wherein for measuring a respective cylindrical surface is exposed to an optical radiation and a reflection signal is evaluated, in each case Measurements can be made in two coordinate axis directions at two positions spaced apart in the direction of extension of a longitudinal axis of the cylindrical surface in order to determine a spatial orientation of the longitudinal axis of the cylindrical surface.

Referenzmessungen können für den gesamten Endeffektor, d. h. für alle Module und dort für alle Messungen durchgeführt werden, um Fertigungs-, Montage- und ähnlich Toleranzen ausgleichen zu können. Die Einstellung kann dann nicht gegen ideale 20 Werte, wie Messröhrchen achsparallel zu Bezugs-Koordinatensystem, sondern gegen reale Werte aus Referenzmessung des Endeffektors erfolgen. Die Referenzwerte für Nick- und Gierwinkel eines Moduls können verwendet werden, der Referenzwert für den Rollwinkel wird bevorzugt verwendet.Reference measurements can be made for the entire end effector, ie for all modules and there for All measurements are performed to compensate for manufacturing, assembly and similar tolerances. The adjustment can then not be made against ideal values, such as measuring tubes axially parallel to the reference coordinate system, but against real values from the reference measurement of the end effector. The reference values for pitch and yaw angles of a module may be used, the reference value for the roll angle is preferably used.

Zum Bestimmen einer Verdrehung eines Moduls um eine zu einer Längsachse der zylindrischen Oberfläche parallele Achse kann jeweils eine Messung durchgeführt und in Bezug zu einer Referenzmessung gesetzt werden.In order to determine a rotation of a module about an axis parallel to a longitudinal axis of the cylindrical surface, one measurement can be carried out in each case and set in relation to a reference measurement.

Ein empfangenes Reflexionssignal kann eine Speicherung von Positionskoordinaten auslösen. Die Positionskoordinaten können von einem Industrieroboter zur Verfügung gestellt werden. Die Positionskoordinaten können von einer externen Positionsmesseinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Mithilfe einer externen Positionsmesseinrichtung kann eine Modulmesseinrichtung kalibriert werden.A received reflection signal can trigger storage of position coordinates. The position coordinates can be provided by an industrial robot. The position coordinates can be provided by an external position measuring device. By means of an external position measuring device, a module measuring device can be calibrated.

Ein Messergebnis kann zum nachfolgenden Einstellen des Endeffektors zur Verfügung gestellt werden. Ein Einstellen des Endeffektors kann automatisiert durchgeführt werden. Ein Einstellen des Endeffektors kann an einer Einstelleinrichtung durchgeführt werden.A measurement result may be provided for subsequent adjustment of the end effector. Adjustment of the end effector can be carried out automatically. Adjustment of the end effector may be performed on an adjuster.

Außerdem erfolgt die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe mit einer Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens aufweisend einen Industrieroboter mit einer Steuereinrichtung und einem einstellbaren Endeffektor, der Endeffektor aufweisend mehrere Module, die miteinander mithilfe mehrachsiger Gelenke verbunden sind, die Module jeweils aufweisend eine Gelenkhauptachse und einen Messzylinder mit einer Längsachse und einer reflektierenden zylindrischen Oberfläche und eine Modulmesseinrichtung mit in zwei unterschiedliche Koordinatenachsrichtungen ausgerichteten Messmodulen zur Durchführung reflexionsbasierter Messungen, wobei die Messmodule jeweils eine Lichtquelle aufweisen.In addition, the solution of the problem underlying the invention with an arrangement for carrying out such a method comprising an industrial robot with a control device and an adjustable end effector, the end effector comprising a plurality of modules which are interconnected by means of multi-axis joints, the modules each having a joint main axis and a Measuring cylinder having a longitudinal axis and a reflective cylindrical surface and a module measuring device with aligned in two different coordinate axis measuring modules for performing reflection-based measurements, wherein the measurement modules each having a light source.

Der Industrieroboter kann einen Manipulator aufweisen. Der Industrieroboter kann ein 6-Achs-Roboter sein. Der Industrieroboter kann Positionssensoren aufweisen. Der Industrieroboter kann eine Steuereinrichtung aufweisen. Der Steuereinrichtung können Signale der Positionssensoren zur Verfügung stehen. Der Endeffektor kann an einem freien Ende des Manipulators angeordnet sein.The industrial robot may have a manipulator. The industrial robot can be a 6-axis robot. The industrial robot may have position sensors. The industrial robot may have a control device. The control device signals of the position sensors can be available. The end effector may be disposed at a free end of the manipulator.

Die Module des Endeffektors können entlang einer Linie angeordnet sein. Die Linie kann gerade oder gekrümmt sein. Die Linie kann räumlich gekrümmt sein. Die Linie kann mehrfach gekrümmt sein. Die Module des Endeffektors können mithilfe von Kugelgelenken miteinander verbunden sein. Die Module können jeweils zwei einander gegenüberliegende Verbindungsabschnitte zur Verbindung mit einem benachbarten Modul aufweisen. Die Gelenkhauptachsen der Module können sich jeweils zwischen den Verbindungsabschnitten erstrecken. Die Module des Endeffektors können jeweils einen Greifer zum Greifen eines Werkstücks aufweisen. Die Module des Endeffektors können jeweils einen Sauggreifer aufweisen. Die Module mit den Messzylindern können jeweils geometrisch zumindest annähernd gleich ausgeführt sein.The modules of the end effector may be arranged along a line. The line can be straight or curved. The line can be spatially curved. The line can be curved several times. The modules of the end effector can be connected by means of ball joints. The modules may each have two opposing connecting sections for connection to an adjacent module. The main hinge axes of the modules may each extend between the connecting sections. The modules of the end effector may each comprise a gripper for gripping a workpiece. The modules of the end effector can each have a suction gripper. The modules with the measuring cylinders can each be designed geometrically at least approximately equal.

Der Endeffektor kann an unterschiedliche Werkstücke geometrisch anpassbar sein. Der Endeffektor kann zur Handhabung biegeschlaffer Werkstücke dienen. Der Endeffektor kann zur Handhabung von Zuschnitten dienen. Der Endeffektor kann zur Handhabung von Faserwerkstoffen, insbesondere aus Kohlefasern, dienen. Der Endeffektor kann bei der Herstellung von Faserverbundwerkstücken verwendet werden.The end effector may be geometrically adaptable to different workpieces. The end effector can be used to handle flexible workpieces. The end effector can be used to handle blanks. The end effector can be used for handling fiber materials, in particular carbon fibers. The end effector can be used in the manufacture of fiber composite workpieces.

Die Messzylinder können sich jeweils zumindest annähernd über die gesamte Breite eines Moduls erstrecken. Die Messzylinder können derart angeordnet sein, dass ihre zylindrische Oberfläche zumindest annähernd allseitig zur Durchführung von Messungen freigestellt ist. Die Messzylinder können jeweils zumindest oberflächlich aus einem Material bestehen, das eine hohe optische Reflexion aufweist. Die Messzylinder können jeweils zumindest oberflächlich aus einem Material bestehen, das eine diffuse optische Reflexion aufweist. Die Messzylinder können jeweils eine polierte Oberfläche aufweisen. Die Messzylinder können jeweils eine Oberfläche mit einer reflektierenden Beschichtung aufweisen. Die Messzylinder können jeweils eine helle Oberfläche aufweisen. Die Messzylinder können jeweils eine Oberfläche mit einer hellen, beispielsweise weißen, Beschichtung aufweisen. Die Oberfläche der Messzylinder kann matt sein, d. h. sie reflektiert nicht gerichtet. Damit wird verhindert, dass der Laserstrahl vom Detektor weg reflektiert wird (Einfallswinkel = Ausfallswinkel auf gewölbter Oberfläche).The measuring cylinders can each extend at least approximately over the entire width of a module. The measuring cylinders can be arranged such that their cylindrical surface is at least approximately free on all sides for carrying out measurements. The measuring cylinders can each consist at least superficially of a material which has a high optical reflection. The measuring cylinders can each consist at least superficially of a material which has a diffuse optical reflection. The measuring cylinders can each have a polished surface. The measuring cylinders may each have a surface with a reflective coating. The measuring cylinders can each have a bright surface. The measuring cylinders can each have a surface with a light, for example white, coating. The surface of the measuring cylinder may be dull, d. H. she does not reflect judged. This prevents the laser beam from being reflected away from the detector (angle of incidence = angle of reflection on curved surface).

Die Modulmesseinrichtung kann ein Gestell aufweisen. Die Messmodule können an dem Gestell angeordnet sein. Die Messmodule können jeweils eine Lichtquelle und einen Lichtsensor aufweisen. Die Lichtquelle kann ein Laser sein. Die Messmodule können jeweils eine lokale Elektronikanordnung aufweisen. Die Messmodule können jeweils ein Gehäuse aufweisen. Die Messmodule können jeweils mit der Steuereinrichtung des Industrieroboters elektrisch signalleitend verbunden sein.The module measuring device can have a frame. The measuring modules can be arranged on the frame. The measuring modules can each have a light source and a light sensor. The light source may be a laser. The measuring modules can each have a local electronic arrangement. The measuring modules can each have a housing. The measuring modules can each be electrically signal-conducting connected to the control device of the industrial robot.

Die Gelenkhauptachsen der Module und die Längsachsen der Messzylinder können jeweils zueinander parallel und von einander beabstandet sein. Die Messmodule können zueinander zumindest annähernd rechtwinklig ausgerichtet sein. The main hinge axes of the modules and the longitudinal axes of the measuring cylinders may each be parallel to each other and spaced from each other. The measuring modules can be aligned with each other at least approximately at right angles.

Die Anordnung kann eine externe Positionsmesseinrichtung, insbesondere ein Tracking-Interferometer, aufweisen. Mithilfe der externen Positionsmesseinrichtung kann eine Position des Manipulators unabhängig von den Positionssensoren des Industrieroboters bestimmt werden. Die externe Positionsmesseinrichtung ermöglicht eine genauere Positionsbestimmung als die internen Positionssensoren des Industrieroboters.The arrangement may comprise an external position-measuring device, in particular a tracking interferometer. Using the external position measuring device, a position of the manipulator can be determined independently of the position sensors of the industrial robot. The external position measuring device enables a more accurate position determination than the internal position sensors of the industrial robot.

Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Bestimmung einer Position und/oder Orientierung eines multiaxial verstellbaren Endeffektors.In summary and in other words, the invention thus provides, inter alia, a determination of a position and / or orientation of a multiaxially adjustable end effector.

Es kann ein Lichtsensor zum berührungslosen Messen eines modularen, flexiblen Endeffektors eingesetzt werden. Für eine Messung eines einzelnen Moduls kann jeweils eine Komponente „Messzylinder” an jedem Einzelmodul angeordnet sein. Eine Messvorrichtung kann die Position des Messzylinders jedes einzelnen Moduls aufnehmen und in Abhängigkeit zu einem Nachbarmodul die Bestimmung der Orientierung ermöglichen.A light sensor can be used for non-contact measurement of a modular, flexible end effector. For a measurement of a single module, in each case one component "measuring cylinder" can be arranged on each individual module. A measuring device can record the position of the measuring cylinder of each individual module and make it possible to determine the orientation as a function of a neighboring module.

Solange eine Messgenauigkeit innerhalb einer Robotergenauigkeit ausreichend ist, kann eine alleinige Verwendung dieser Messvorrichtung (Lichtsensoren) in Verbindung mit einem 6-Achs-Manipulator (Roboter) genügen. Bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen kann zusätzlich zu den 6 Freiheitsgraden des Roboters eine externe Führung eingesetzt werden. Diese externe Führung kann mittels Lasertracker erfolgen. Damit kann eine höhere Genauigkeit bei der Positionsaufnahme erreicht werden. Diese höhere Genauigkeit einer externen Führung kann zudem für eine Kalibration der Messvorrichtung verwendet werden.As long as a measurement accuracy within a robot accuracy is sufficient, sole use of this measuring device (light sensors) in conjunction with a 6-axis manipulator (robot) can be sufficient. With increased accuracy requirements, an external guide can be used in addition to the 6 degrees of freedom of the robot. This external guidance can be done by laser tracker. Thus, a higher accuracy in the position recording can be achieved. This higher accuracy of an external guide can also be used for a calibration of the measuring device.

Zur Messung kann ein Messzylinder entlang einer Achse in Richtung eines Lichtstrahls bewegt werden. Der Messzylinder kann Bestandteil eines Einzelmoduls sein.For measurement, a measuring cylinder can be moved along an axis in the direction of a light beam. The measuring cylinder can be part of a single module.

Sobald der Messzylinder den Strahl des Lichtsensors reflektiert, kann die Position und Orientierung des Koordinatensystems des Einzelmoduls in einem Bezugskoordinatensystem in der Messvorrichtung abgespeichert werden. Diese Erfassung kann an mehreren Stellen am Messzylinder und mit Sensoren, die in zwei verschiedene Richtungen strahlen, vorgenommen werden. Die Orientierung des jeweiligen Moduls kann dann aus den gemessenen Punkten berechnet werden.As soon as the measuring cylinder reflects the beam of the light sensor, the position and orientation of the coordinate system of the individual module can be stored in a reference coordinate system in the measuring device. This detection can be made in several places on the measuring cylinder and with sensors that radiate in two different directions. The orientation of the respective module can then be calculated from the measured points.

Der Lichtsensor kann lediglich Auslöser für eine Abspeicherung von Koordinaten sein, mit deren Hilfe dann später eine Ausrichtung der Module berechnet wird. Die Messinformation kann aus dem 6-Achs-System erzeugt werden und nur der Messzeitpunkt kann durch die Lichtsensoren festgelegt werden.The light sensor can only trigger a storage of coordinates, with the help of which then an orientation of the modules is calculated later. The measurement information can be generated from the 6-axis system and only the measurement time can be determined by the light sensors.

Es können zwei Lasersensoren und ein 6-Achs-Manipulator (Roboter) zum genauen Erfassen einer bis dahin unbekannten Position und Orientierung eines Endeffektormoduls kombiniert werden.Two laser sensors and a 6-axis manipulator (robot) can be combined to accurately detect a hitherto unknown position and orientation of an end effector module.

Es können IST-Informationen (Position und Orientierung) für einen nachgelagerten, automatisierten Einstellvorgang automatisiert erzeugt werden. Es kann eine manuelle oder eine vollautomatisierte Umsetzung erfolgen.Actual information (position and orientation) can be automatically generated for a downstream, automated setting process. It can be a manual or a fully automated implementation.

Eine lichtsensorbasierte Messvorrichtung kann mit einer externen Führung des 6-Achs-Manipulators (Roboter) verbunden werden. Dadurch wird eine hochgenaue Vermessung der Position und Orientierung möglich. Durch eine Kombination der externen Führung mit dem 6-Achs-Manipulator (Roboter) kann die Messvorrichtung hochgenau kalibriert werden.A light sensor-based measuring device can be connected to an external guide of the 6-axis manipulator (robot). This allows a highly accurate measurement of position and orientation. By combining the external guidance with the 6-axis manipulator (robot), the measuring device can be calibrated with high precision.

Mit „kann” sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.By "may" in particular optional features of the invention are referred to. Accordingly, there is an embodiment of the invention each having the respective feature or features.

Mit der Erfindung wird ein berührungsloses Messen ermöglicht. Messfehler werden reduziert. Ein absolutes Messen unabhängig von einem Startpunkt wird ermöglicht. Ein Einfluss von Erschütterungen wird reduziert. Ein Einfluss einer Temperatur wird reduziert werden. Ein Messaufwand wird reduziert. Eine Messgenauigkeit wird erhöht. Eine Messgeschwindigkeit wird erhöht. Eine mechanische Koppelung beim Messen wird vermieden. Probleme durch ferromagnetische oder leitende Teile werden vermieden. Ein Messen ist auch in Innenräumen zuverlässig ermöglicht. Außerdem ist eine Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitgestellt.With the invention, a contactless measurement is possible. Measurement errors are reduced. An absolute measurement independent of a starting point is made possible. An influence of vibrations is reduced. An influence of a temperature will be reduced. A measuring effort is reduced. A measuring accuracy is increased. A measuring speed is increased. A mechanical coupling during measurement is avoided. Problems due to ferromagnetic or conductive parts are avoided. Measuring is also possible reliably indoors. In addition, an arrangement for carrying out such a method is provided.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to figures. From this description, further features and advantages. Concrete features of these embodiments may represent general features of the invention. Features associated with other features of these embodiments may also constitute individual features of the invention.

Es zeigen schematisch und beispielhaft: They show schematically and by way of example:

1 eine Messeinrichtung mit zwei Messmodulen, 1 a measuring device with two measuring modules,

2 einen Industrieroboter mit einem einstellbaren Endeffektor an einer Messeinrichtung, 2 an industrial robot with an adjustable end effector on a measuring device,

3 einen Messvorgang, um eine räumliche Ausrichtung einer Längsachse eines Messzylinders zu bestimmen, 3 a measuring process to determine a spatial orientation of a longitudinal axis of a measuring cylinder,

4 einen Messvorgang, um eine räumliche Ausrichtung einer Längsachse eines Messzylinders zu bestimmen, 4 a measuring process to determine a spatial orientation of a longitudinal axis of a measuring cylinder,

5 einen Messvorgang, um eine räumliche Ausrichtung einer Längsachse eines Messzylinders zu bestimmen, 5 a measuring process to determine a spatial orientation of a longitudinal axis of a measuring cylinder,

6 eine Referenzmessung mit ausgerichtetem einstellbaren Endeffektor, 6 a reference measurement with aligned adjustable end effector,

7 einen Messvorgang, um eine Verdrehung eines Moduls um eine Gelenkachse zu bestimmen und 7 a measuring operation to determine a rotation of a module about a hinge axis and

8 einen Messvorgang, um eine Verdrehung eines Moduls um eine Gelenkachse zu bestimmen. 8th a measuring operation to determine a rotation of a module about a hinge axis.

1 zeigt eine Messeinrichtung 1 mit zwei Messmodulen 2, 3. 2 zeigt einen Industrieroboter 4 mit einem einstellbaren Endeffektor 5 an der Messeinrichtung 1. 35 zeigt einen Messvorgang, um eine räumliche Ausrichtung einer Längsachse 6 eines Messzylinders 7 zu bestimmen, 6 zeigt eine Referenzmessung mit ausgerichtetem einstellbaren Endeffektor 5 und 78 zeigt einen Messvorgang, um eine Verdrehung eines Moduls 8 um eine Gelenkhauptachse 9 zu bestimmen. 1 shows a measuring device 1 with two measuring modules 2 . 3 , 2 shows an industrial robot 4 with an adjustable end effector 5 at the measuring device 1 , 3 - 5 shows a measurement process to a spatial orientation of a longitudinal axis 6 a measuring cylinder 7 to determine 6 shows a reference measurement with aligned adjustable end effector 5 and 7 - 8th shows a measuring process to a rotation of a module 8th around a joint main axis 9 to determine.

Der Industrieroboter ist programmierbar. Der Industrieroboter ist ein 6-Achs-Roboter. Der Industrieroboter 4 weist eine Steuereinrichtung auf. Der Industrieroboter 4 weist einen Manipulator 10 auf. Der Industrieroboter 4 weist Positionssensoren auf. Der Steuereinrichtung stehen Signale der Positionssensoren zur Verfügung. Der Manipulator 10 weist ein freies Ende mit einem Anschlussflansch auf.The industrial robot is programmable. The industrial robot is a 6-axis robot. The industrial robot 4 has a control device. The industrial robot 4 has a manipulator 10 on. The industrial robot 4 has position sensors. The control device signals of the position sensors are available. The manipulator 10 has a free end with a connection flange.

Der Endeffektor 5 weist mehrere Module, wie 8, auf. Beispielsweise weist der Endeffektor 5 neun Module 8 auf. Die Module 8 sind entlang einer Linie angeordnet angeordnet. Die Linie kann gerade oder gekrümmt sein. Die Linie kann räumlich und/oder mehrfach gekrümmt sein. Die Module 8 sind aufeinanderfolgend aneinander anschließend angeordnet. Die Module 8 sind untereinander mithilfe von Kugelgelenken, wie 11, verbunden. Damit sind die Module 8 jeweils räumlich verstellbar. Jedes Modul 8 weist einen Sauggreifer, wie 12, auf. Der Endeffektor 5 weist einen Anschlussabschnitt zur Verbindung mit dem Anschlussflansch des Manipulators 10 auf. Der Anschlussabschnitt ist an dem Endeffektor 5 mittig angeordnet. Der Endeffektor 5 ist mit seinem Anschlussabschnitt an dem Anschlussflansch des Manipulators 10 angeordnet. Der Endeffektor 5 kann auch als „Schlangengreifer” oder „Streifengreifer Gen2” bezeichnet werden.The end effector 5 has several modules, like 8th , on. For example, the end effector points 5 nine modules 8th on. The modules 8th are arranged along a line. The line can be straight or curved. The line may be spatially and / or multiply curved. The modules 8th are successively arranged adjacent to each other. The modules 8th are with each other using ball joints, like 11 , connected. This is the modules 8th each spatially adjustable. Every module 8th has a suction pad, like 12 , on. The end effector 5 has a connection portion for connection to the connection flange of the manipulator 10 on. The connection section is at the end effector 5 arranged in the middle. The end effector 5 is with its connection section on the connecting flange of the manipulator 10 arranged. The end effector 5 may also be referred to as a "snake gripper" or "grapple Gen2".

Die Verstellbarkeit des Endeffektors 5 ermöglicht eine geometrische Anpassung an unterschiedliche Werkstücke. Insbesondere ermöglicht die Verstellbarkeit des Endeffektors 5 eine Handhabung unterschiedlicher Faserwerkstoff-Zuschnitte bei der Herstellung von Faserverbundwerkstücken.The adjustability of the end effector 5 allows a geometric adaptation to different workpieces. In particular, the adjustability of the end effector allows 5 a handling of different fiber material blanks in the manufacture of fiber composite workpieces.

Grundsätzlich ist der Endeffektor 5 sowohl manuell als auch automatisiert an einer Einstelleinrichtung verstellbar. Zum automatisierten Einstellen wird der Endeffektor 5 mithilfe des Manipulators 10 mit seinen Modulen 8 jeweils an die Einstelleinrichtung geführt und durch eine entsprechende Bewegung des Manipulators 10 werden die Module 8 verstellt. Um die Module 8 richtig an die Einstelleinrichtung führen und verstellen zu können, muss der Steuereinrichtung die räumliche Orientierung der Module 8 bekannt sein.Basically, the end effector 5 both manually and automatically adjustable on an adjustment. For automated adjustment, the end effector 5 using the manipulator 10 with his modules 8th each guided to the adjustment and by a corresponding movement of the manipulator 10 become the modules 8th adjusted. To the modules 8th To be able to correctly guide and adjust the setting device, the control device must have the spatial orientation of the modules 8th be known.

Die Messeinrichtung 1 dient dazu, die räumliche Orientierung der Module 8 zu messen. Die Messeinrichtung 1 weist ein Gestell 13 auf. An dem Gestell 13 sind die Messmodule 2, 3 angeordnet. Die Messmodule 2, 3 weisen jeweils einen Laser und einen Lichtsensor auf. Mithilfe des Lasers kann jeweils ein Laserstrahl 14, 15 ausgesendet werden. Mithilfe des Lichtsensors kann ein Reflexionssignal des ausgesendeten Laserstrahls 14, 15 empfangen und ausgewertet werden. Die Messmodule 2, 3 sind derart angeordnet, dass ihre Strahlrichtungen zueinander zumindest annähernd rechtwinklig angeordnet sind. Die Messmodule 2, 3 sind mit der Steuereinrichtung des Industrieroboters 1 signalleitend verbunden.The measuring device 1 serves the spatial orientation of the modules 8th to eat. The measuring device 1 has a frame 13 on. On the frame 13 are the measurement modules 2 . 3 arranged. The measuring modules 2 . 3 each have a laser and a light sensor. Using the laser, one laser beam at a time 14 . 15 to be sent out. By means of the light sensor, a reflection signal of the emitted laser beam 14 . 15 be received and evaluated. The measuring modules 2 . 3 are arranged such that their beam directions are arranged at least approximately at right angles to each other. The measuring modules 2 . 3 are with the control device of the industrial robot 1 signal-conducting connected.

Die Module 8 des Manipulators 10 weisen jeweils einen Messzylinder, wie 7, auf. Die Messzylinder 7 sind an den Modulen 8 jeweils den Sauggreifern 12 gegenüberliegende angeordnet. Die Messzylinder 7 sind an den Modulen 8 zur Durchführung von Messungen jeweils freigestellt angeordnet. Die Messzylinder 7 weisen jeweils eine reflektierende zylindrische Oberfläche auf. Die Messzylinder 7 sind mit ihren Längsachsen 6 jeweils parallel und beabstandet zur Gelenkhauptachse 9 angeordnet.The modules 8th of the manipulator 10 each have a measuring cylinder, such as 7 , on. The measuring cylinder 7 are at the modules 8th each of the suction pads 12 arranged opposite. The measuring cylinder 7 are at the modules 8th arranged to carry out measurements each free. The measuring cylinder 7 each have a reflective cylindrical surface. The measuring cylinder 7 are with their longitudinal axes 6 each parallel and spaced from the main axis of the joint 9 arranged.

Bei einem Messvorgang wird der Endeffektor 5 mithilfe des Manipulators 10 so positioniert und orientiert, dass die Messmodule 2, 3 der Messeinrichtung 1 das zu messende Modul 8 des Endeffektor 5 mit seinem Messzylinder 7 erfassen kann.In a measurement process, the end effector 5 using the manipulator 10 positioned and oriented so that the measurement modules 2 . 3 the measuring device 1 the module to be measured 8th the end effector 5 with his measuring cylinder 7 can capture.

Als Voraussetzung für die spätere Berechnung der Orientierung der einzelnen Module 8 werden die Module 8 zunächst definiert ausgerichtet und die Lage jedes einzelnen Moduls 8 wird mit der Messvorrichtung 1 in einer Referenzmessung erfasst, siehe 6. Diese ermittelten Werte für Position und Orientierung werden bei den nachfolgenden Berechnungen als Referenzwerte herangezogen. Die Ausrichtung ist an zwei Modulen 8 beispielhaft in 6 dargestellt.As a prerequisite for the later calculation of the orientation of the individual modules 8th become the modules 8th initially defined and the location of each individual module 8th is with the measuring device 1 detected in a reference measurement, see 6 , These determined values for position and orientation are used as reference values in the subsequent calculations. The alignment is on two modules 8th in example 6 shown.

Bei einem nachfolgenden Messvorgang werden je Module 8 zwei Messungen an jeweils zwei Messpunkten und eine dritte Messung mit einem Messpunkt durchgeführt um die Ausrichtung des Moduls 8 im Raum festzustellen. Zunächst ist die Ausrichtung des Moduls 8 unbekannt. Beispielhaft ist diese Situation in 3 dargestellt.In a subsequent measurement process are per module 8th two measurements at two measuring points each and a third measurement with a measuring point carried out around the orientation of the module 8th in the room. First, the orientation of the module 8th unknown. This situation is exemplary in 3 shown.

Das Modul 8 wird jetzt unter dem Messmodul 2 so lange in Pfeilrichtung bewegt, siehe 4, bis der Laserstrahl an einem Punkt, z. B. hier P1 in 5, reflektiert wird und der Sensor des Messmoduls 2 das Reflexionssignal empfängt. In diesem Moment wird die Position eines definierten Koordinatensystems 16 in einem Bezugs-Koordinatensystem gespeichert. Der gleiche Vorgang wird für P2 wiederholt. Hiermit kann jetzt die IST-Ausrichtung des Moduls 8 in einer horizontalen Ebene bestimmt werden und das Modul 8 wird jetzt vom Industrieroboter 4 achsparallel in der Ebene ausgerichtet.The module 8th will now be under the measurement module 2 so long in the direction of the arrow moves, see 4 until the laser beam is at a point, e.g. Eg here P1 in 5 , is reflected and the sensor of the measuring module 2 the reflection signal is received. At this moment, the position of a defined coordinate system 16 stored in a reference coordinate system. The same process is repeated for P2. This is now the actual orientation of the module 8th be determined in a horizontal plane and the module 8th is now from the industrial robot 4 aligned axially parallel in the plane.

Der oben beschriebene Messvorgang wird jetzt in vertikaler Richtung mit dem zweiten Messmodul 3, siehe 1, wiederholt und wieder wird an zwei Punkten die Position des Koordinatensystems abgespeichert. Damit kann die Orientierung in einer vertikalen Ebene bestimmt werden und das Modul 8 wird in dieser Ebene achsparallel ausgerichtet.The measuring procedure described above now becomes vertical with the second measuring module 3 , please refer 1 , repeatedly and again the position of the coordinate system is stored at two points. Thus, the orientation can be determined in a vertical plane and the module 8th is aligned axially parallel in this plane.

Nach diesen beiden erfolgten Ausrichtungen bleibt als letzter Freiheitsgrad die Verdrehung des Moduls 8 um die Gelenkhauptachse 9. Diese Drehrichtung ist in 5 mit einem Pfeil 17 dargestellt. Um diese letzte Verdrehung auszugleichen, wird wieder auf die einmalig erfolgte oben beschriebene Referenzmessung zurückgegriffen.After these two alignments, the last degree of freedom is the rotation of the module 8th around the main axis of the joint 9 , This direction of rotation is in 5 with an arrow 17 shown. In order to compensate for this last twist, reference is once again made to the one-time reference measurement described above.

Wie in 6 dargestellt wurden für diese Referenzmessung die Module 8 vorher in einer Richtung und auf einer Ebene ausgerichtet. Dann wird bei einer Messung der Referenzpunkt Psoll für jedes Modul 8 als Referenz erfasst. Dieser Referenzpunkt wird nun zur Bestimmung der Verdrehung der jeweiligen Module 8 herangezogen.As in 6 The modules were shown for this reference measurement 8th previously aligned in one direction and on one level. Then, during a measurement, the reference point becomes Psoll for each module 8th recorded as a reference. This reference point will now be used to determine the rotation of the respective modules 8th used.

Für den letzten Einstellvorgang wird also das Modul 8, wie in 7 dargestellt, achsparallel unter dem Messmodul 2 bewegt. Wenn der Sensor des Messmoduls 2 das Reflexionssignal empfängt, wird die Position des Koordinatensystems zu diesem Zeitpunkt abgespeichert und mit Hilfe der vorhandenen Daten, Referenzpunkte Psoll, die Verdrehung der Module 8 berechnet.For the last setting, so the module 8th , as in 7 represented, paraxial under the measuring module 2 emotional. If the sensor of the measuring module 2 the reflection signal is received, the position of the coordinate system is stored at this time and using the existing data, reference points Psoll, the rotation of the modules 8th calculated.

Damit ist die räumliche Orientierung des Moduls 8 vollständig bestimmt. Der Messvorgang wird für jedes Modul 8 durchgeführt. Nachfolgend kann der Endeffektor 5 an der Einstelleinrichtung automatisiert verstellt werden.This is the spatial orientation of the module 8th completely determined. The measurement process will be for each module 8th carried out. Below is the end effector 5 be adjusted automatically at the setting.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Messeinrichtungmeasuring device
22
Messmodulmeasurement module
33
Messmodulmeasurement module
44
Industrieroboterindustrial robots
55
Endeffektorend effector
66
Längsachselongitudinal axis
77
Messzylindermeasuring cylinders
88th
Modulmodule
99
GelenkhauptachseHinge main axis
1010
Manipulatormanipulator
1111
Kugelgelenkball joint
1212
SauggreiferSuction pads
1313
Gestellframe
1414
Laserstrahllaser beam
1515
Laserstrahllaser beam
1616
Koordinatensystemcoordinate system

Claims (11)

Verfahren zum Messen einer räumlichen Orientierung von Modulen (8) eines einstellbaren Endeffektors (5) mit mehreren Modulen (8), die miteinander mithilfe mehrachsiger Gelenke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen jeweils eine zylindrische Oberfläche mit einer optischen Strahlung (14, 15) beaufschlagt und ein Reflexionssignal ausgewertet wird, wobei jeweils an zwei in Erstreckungsrichtung einer Längsachse (6) der zylindrischen Oberfläche voneinander beabstandeten Positionen (P1, P2) Messungen in zwei Koordinatenachsrichtungen durchgeführt werden, um eine räumliche Ausrichtung der Längsachse (6) der zylindrischen Oberfläche zu bestimmen.Method for measuring a spatial orientation of modules ( 8th ) of an adjustable end effector ( 5 ) with several modules ( 8th ), which are connected to each other by means of multi-axis joints, characterized in that for measuring in each case a cylindrical surface with an optical radiation ( 14 . 15 ) is applied and a reflection signal is evaluated, in each case at two in the extension direction of a longitudinal axis ( 6 ) of the cylindrical surface spaced apart positions (P1, P2) measurements in two coordinate axis directions are performed to a spatial orientation of the longitudinal axis ( 6 ) of the cylindrical surface. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen einer Verdrehung eines Moduls (8) um eine zu einer Längsachse (6) der zylindrischen Oberfläche parallele Achse (9) jeweils eine Messung durchgeführt und in Bezug zu einer Referenzmessung gesetzt wird. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that for determining a rotation of a module ( 8th ) about a longitudinal axis ( 6 ) of the cylindrical surface parallel axis ( 9 ) is carried out in each case a measurement and set in relation to a reference measurement. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein empfangenes Reflexionssignal eine Speicherung von Positionskoordinaten auslöst.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a received reflection signal triggers a storage of position coordinates. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionskoordinaten von einem Industrieroboter (4) zur Verfügung gestellt werden.Method according to Claim 3, characterized in that the position coordinates of an industrial robot ( 4 ) to provide. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionskoordinaten von einer externen Positionsmesseinrichtung zur Verfügung gestellt werden.Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the position coordinates are provided by an external position measuring device. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe einer externen Positionsmesseinrichtung eine Modulmesseinrichtung kalibriert wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a module measuring device is calibrated by means of an external position-measuring device. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messergebnis zum nachfolgenden Einstellen des Endeffektors (5) zur Verfügung gestellt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a measurement result for subsequent adjustment of the end effector ( 5 ) is made available. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder 7, aufweisend einen Industrieroboter (4) mit einer Steuereinrichtung und einem einstellbaren Endeffektor (5), der Endeffektor (5) aufweisend mehrere Module (8), die miteinander mithilfe mehrachsiger Gelenke verbunden sind, die Module (8) jeweils aufweisend eine Gelenkhauptachse (9) und einen Messzylinder (7) mit einer Längsachse (6) und einer reflektierenden zylindrischen Oberfläche und eine Modulmesseinrichtung (1) mit in zwei unterschiedliche Koordinatenachsrichtungen ausgerichteten Messmodulen (2, 3) zur Durchführung reflexionsbasierter Messungen, wobei die Messmodule (2, 3) jeweils eine Lichtquelle aufweisen.Arrangement for carrying out a method according to at least one of claims 1 to 4 and / or 7, comprising an industrial robot ( 4 ) with a control device and an adjustable end effector ( 5 ), the end effector ( 5 ) comprising several modules ( 8th ) connected to each other by means of multi-axis joints, the modules ( 8th ) each having a joint main axis ( 9 ) and a measuring cylinder ( 7 ) with a longitudinal axis ( 6 ) and a reflective cylindrical surface and a module measuring device ( 1 ) with measuring modules aligned in two different coordinate axis directions ( 2 . 3 ) for performing reflection-based measurements, wherein the measurement modules ( 2 . 3 ) each have a light source. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkhauptachsen (9) der Module (8) und die Längsachsen (6) der Messzylinder (7) jeweils zueinander parallel und von einander beabstandet sind.Arrangement according to claim 8, characterized in that the joint main axes ( 9 ) of the modules ( 8th ) and the longitudinal axes ( 6 ) of the measuring cylinder ( 7 ) are mutually parallel and spaced from each other. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmodule (2, 3) zueinander zumindest annähernd rechtwinklig ausgerichtet sind.Arrangement according to one of claims 8 or 9, characterized in that the measuring modules ( 2 . 3 ) are aligned at least approximately at right angles to each other. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine externe Positionsmesseinrichtung, insbesondere ein Tracking-Interferometer, aufweist.Arrangement according to at least one of claims 8 to 10, characterized in that the arrangement comprises an external position-measuring device, in particular a tracking interferometer.
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