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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Abtasten von Werkstücken mittels
eines Liniensensors, der einen linienförmigen Strahl auf das Werkstück richtet,
wobei der Liniensensor mittels einer Drehachse an einem Arm eines
mehrachsigen Roboters angeordnet ist.
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Eine
Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus
DE 196 18 283 A1 bekannt
und wird zudem unter dem Namen „EagleEye" als Erzeugnis der Anmelderin angeboten.
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Aus
der
US 4,645,348 ist
eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Werkstücken bekannt.
Bei dieser bekannten Vorrichtung wird mittels eines Lasers ein Fadenkreuz-Muster
erzeugt und auf ein Werkstück
gerichtet, wobei die Richtung mit der jeweiligen Flächennormalen
des Werkstücks übereinstimmt.
In einer zu dieser Richtung leicht abgewinkelten Ausrichtung ist
eine Empfängeranordnung
vorgesehen, so dass eine Vermessung des Objektes nach dem Triangulationsprinzip
möglich
ist.
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Bei
der eingangs erwähnten
Vorrichtung „EagleEye" der Anmelderin ist
ein Liniensensor am äußersten
Arm eines 6-Achsen-Roboters
angeordnet. Der Roboter weist eine entlang von drei kartesischen Koordinaten
verfahrbare Grundeinheit auf, auf der hintereinander drei Drehachsen
befestigt sind. Die erste Drehachse ist dabei an eine zweite Drehachse angeschlossen,
wobei diese Achsen einen rechten Winkel zueinander bilden. Die zweite
Drehachse ist wiederum mit einer dritten Drehachse verbunden, wobei
diese beiden Achsen wiederum einen rechten Winkel zueinander bilden.
Sämtliche
Achsen des Roboters sind mit eigenen Antrieben versehen. Der am freien
Ende der dritten Achse befindliche Liniensensor kann daher in beliebiger
Ausrichtung im Raum positioniert und dann so verfahren werden, dass
der linienförmige
Strahl auf dem Werkstück
in einer Richtung senkrecht zu seiner Erstreckung verfahren (gescannt)
werden kann.
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Bei
dieser bekannten Vorrichtung ist von Nachteil, dass die äußerste,
dritte Drehachse, die sogenannte C-Achse, mit einem eigenen Antrieb
versehen ist. Dieser Antrieb benötigt
nämlich
eine eigene Stromversorgung mit hoher Leistung, die in Folge der beliebigen
Verdrehbarkeit dieser Achse über
Teller- oder Schleifkontakte geführt
werden muss. Ferner benötigt
der An trieb der C-Achse eine dezentrale Positionsregelung mit entsprechendem
Leistungsteil und Messsystem, um diese C-Achse zu positionieren bzw.
ihre Ist-Position zu lesen. Weiterhin sind entsprechende Schleifkontakte
erforderlich, um die Messdaten von der C-Achse zu übertragen.
Dies verkompliziert den Aufbau erheblich, weil ohnehin eine Vielzahl
von Kontakten erforderlich ist, um die Daten des an der C-Achse
befestigten Liniensensors zu übertragen.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich der Antrieb der C-Achse
erwärmt
und in Folge dessen auch ausdehnt, so dass Messfehler auftreten.
Vor allem beim Aus- und Einwechseln dieser Achse ist immer wieder
eine Aufheizphase während der
Messung erforderlich. Darüber
hinaus haben derartige Antriebe auch ein erhebliches Eigengewicht, das
als weitere Störquelle
berücksichtigt
werden muss, unabhängig
davon, dass schwere Antriebe dieser Art bei kleineren Dreh-Schwenk-Gelenken nicht
eingesetzt werden können.
Schließlich
führt der höhere Aufwand
auch zu entsprechenden Herstellkosten.
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Aus
der
DE 28 04 398 ist
ein Koordinatenmessgerät
bekannt, bei dem der Messtaster aus einer vertikalen in eine horizontale
Betriebsstellung (oder umgekehrt) verkippt werden kann, indem der Messtaster
durch die Antriebe eines Portals des Koordinatenmessgerätes gegen
einen Anschlag gefahren und dabei um ein mit einer entsprechenden
Rastung versehenes Drehgelenk verschwenkt wird. Eine ähnliche
Vorrichtung ist auch in der
DE 196 05 776 A1 beschrieben.
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Bei
diesen bekannten Koordinatenmessgeräten wird der Tastkopf damit
um ganz grob voreingestellte Winkelschritte verstellt, um wenige
mögliche Arbeitsstellungen
einzunehmen, was für
eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art unzureichend ist, da
der Liniensensor mit hoher Präzision
eine bestimmte, nahezu beliebige Stellung im Raum einnehmen muss,
um eine optimale Abtastung des Werkstücks zu ermöglichen.
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DE 101 11 130 A1 offenbart
ein Koordinatenmessgerät
mit einem Videotastkopf, bei dem die Vorschubdaten aus den Bilddaten
des Videotastkopfes abgeleitet werden. Der Videotastkopf kann dabei
an einer Dreh-Schwenkeinheit mit zumindest zwei Drehgelenken befestigt
sein.
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Aus
der schon eingangs erwähnten
DE 196 18 283 A1 ist
ein Koordinatenmessgerät
mit einem Liniensensor bekannt, der über zwei zueinander senkrecht
stehende, motorisch angetriebene Drehachsen im Raum verstellt werden
kann. Eine dritte C-Achse ist hier nicht vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass ohne Einbuße an Flexibilität bei der
Messung beliebig im Raum liegender Objekte die vorstehend genannten
Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll die Notwendigkeit
besonderer Versorgungs- und Steuerleitungen entfallen, ebenso wie
Probleme in Folge von Eigenerwärmung
und Gewicht, und schließlich
soll der Aufbau einfacher und damit kostengünstiger werden.
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Bei
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Drehachse als antriebsloses Drehgelenk ausgebildet ist,
und dass Mittel zum Fixieren des Liniensensors in einer Position
im Raum vorgesehen sind, so dass durch Verfahren weiterer Achsen
des Roboters der fixierte Liniensensor in der antriebslosen Drehachse
um einen vorgegebenen Winkel verdrehbar ist.
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Die
der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen
gelöst.
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Erfindungsgemäß entfällt nämlich der
Eigenantrieb der dritten Drehachse (C-Achse) völlig. Die gewünschte Drehbewegung
dieser Achse wird vielmehr dadurch erreicht, dass der Sensor kurzzeitig
fixiert und die Verdrehung im Drehgelenk durch Verfahren der weiteren
Achsen des Roboters bewirkt wird. Damit sind sämtliche oben angegebenen Nachteile
vermieden. Andererseits wird die Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dadurch nicht eingeschränkt,
weil eine kontinuierliche Ausrichtung des Liniensensors senkrecht
zur Bewegungsrichtung (Scanning-Richtung)
nur in den allerwenigsten Fällen nötig ist.
Es reicht daher bei den allermeisten Anwendungsfällen aus, die dritte Drehachse
(C-Achse) nur einmal auf einen exakt vorgegebenen Winkel einzustellen,
wobei lediglich von Bedeutung ist, dass der einmal eingestellte
Winkel bekannt und reproduzierbar ist.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Roboter ein
6-Achsen-Roboter.
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Diese
an sich bekannte Maßnahme
hat den Vorteil, dass die erforderlichen Bewegungsabläufe auf
einfache Weise realisiert werden können.
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Dies
gilt auch hinsichtlich der weiter bevorzugten Maßnahme, dass die Drehachse
als dritte Achse unter einem rechten Winkel auf einer zweiten Drehachse
und die zweite Drehachse unter einem rechten Winkel auf einer ersten
Drehachse sitzt, insbesondere dann, wenn die dritte Drehachse auf
einer entlang dreier kartesischer Achsen verfahrbaren Basis angeordnet
ist.
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Bei
einem Roboter dieser Ausführungsform wird
eine gewünschte
Verdrehung der dritten Drehachse in einfacher Weise dann erzielt,
wenn die Basis auf einer Kreisbahn in einer Ebene verfahrbar und die
dritte Achse in eine Ausrichtung parallel zur ersten Achse bringbar
ist, in der sie durch den Mittelpunkt der Kreisbahn verläuft.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass die gewünschte
Verdrehung der dritten Drehachse mit einem absoluten Minimum an
Verfahrbewegungen der übrigen
Achsen des Roboters dargestellt werden kann.
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Schließlich ist
im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch bevorzugt, wenn das Drehgelenk
stufenweise in vorgegebenen Winkelschritten verdrehbar ist.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass die Winkelschritte mit hoher Präzision eingestellt
werden können,
insbesondere wenn in bevorzugter Weise das Drehgelenk mit einer
Vielzahl von über
einen Umfang verteilten Kugeln, beispielsweise 24 Kugeln, sowie
einer damit zusammenarbeitenden Mehrzahl von Walzen, beispielsweise
drei Walzen, ausgebildet wird, was zu einer Auflösung von 15° je Rastung führt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematisierte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
in einer ersten Betriebsstellung;
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2 die
Anordnung gemäß 1,
jedoch in einer zweiten Betriebsstellung;
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3 die
Anordnung gemäß 1,
jedoch in einer dritten Betriebsstellung.
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In
den 1 bis 3 ist mit 10 insgesamt eine
Sensoranordnung bezeichnet. In den Figuren sind gleiche Elemente
mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei die Hinzufügung eines
Apostrophs eine Lageveränderung
eines bestimmten Elementes kennzeichnet.
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Die
Sensoranordnung 10 dient zum optischen Abtasten eines Werkstücks 12.
Das Werkstück 12 ist
in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Blech mit einem geradlinig verlaufenden Spalt 14. Ein
linienförmiger
Strahl 16 dient zum Abtasten des Spaltes 14, wobei
aus abbildungstechnischen Gründen
die mit einem Pfeil 18 gekennzeichnete Abtastrichtung (Scan-Richtung)
des Strahles 16 parallel zum Spalt 14 verlaufen
muss, der Strahl 16 also unter einem rechten Winkel zum
Spalt 14 verläuft.
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Der
Strahl 16 wird von einem Liniensensor 20 erzeugt.
Hierzu wird vorzugsweise ein Laser eingesetzt, der den Strahl 16 mit
bekannten optischen Mitteln erzeugt. Der Strahl 16 braucht
dabei nicht notwendigerweise linienförmig zu sein. Es können auch Fadenkreuze
und andere bekannte Strahlmuster verwendet werden.
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Da
sich das Werkstück 12 mit
dem zu vermessenden Spalt 14 in einer beliebigen Ausrichtung im
Raum befinden kann, beispielsweise als Teil einer Kraftfahrzeugkarosserie,
ist es erforderlich, den Liniensensor 20 in beliebige Stellungen
im Raum verfahren zu können.
Hierzu dient ein mit 28 angedeuteter Roboter, der in den 1 bis 3 nur
teilweise dargestellt ist.
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Der
Roboter 28 baut auf einer Basis 30 auf, die in
nicht näher
dargestellter Weise mittels eigener Linearantriebe entlang von drei
kartesischen Koordinatenachsen X, Y, Z im Raum verfahrbar ist.
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Eine
erste Drehachse 32, die auch als A-Achse bezeichnet wird,
verläuft
entlang oder parallel zu der Z-Achse. Die erste Drehachse 32 wird durch
einen ersten Arm 34 verkörpert, der sich von der Basis 30 vertikal
nach unten erstreckt. Am unteren freien Ende des ersten Armes 34 befindet
sich ein mit einem ersten Pfeil 36 symbolisiertes Drehgelenk. An
dieses Drehgelenk ist ein zweiter Arm 38 angeschlossen,
durch den eine zweite Drehachse 40, die sogenannte B-Achse,
verkörpert
wird. Die zweite Drehachse 40 trägt an ihrem in 1 linken
freien Ende ein mit einem zweiten Pfeil 42 symbolisiertes zweites
Drehgelenk. Von diesem erstreckt sich vertikal nach unten ein dritter
Arm 44, der zu einer dritten Drehachse 46 gehört, die
auch als C-Achse bezeichnet wird. Das zugehörige Drehgelenk ist mit einem dritten
Pfeil 48 veranschaulicht. Dieses ist mit dem Liniensensor 20 verbunden.
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Wie
mit den Pfeilen 36, 42 und 46 angedeutet,
kann der Liniensensor 20 somit beliebig relativ zur Basis 30 in
seiner Aus richtung verdreht sowie durch Verfahren der kartesischen
Achsen X, Y und Z noch im Raum verfahren werden.
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Im
vorliegenden Zusammenhang ist wichtig, dass die erste Drehachse 32 und
die zweite Drehachse 40 jeweils mit einem eigenen Antrieb
versehen sind, um die Bewegung in den Drehgelenken 36 und 42 zu
erzeugen.
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Die
dritte Drehachse 46 verfügt hingegen nicht über einen
derartigen Eigenantrieb.
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In
der Grundstellung gemäß 1 ist
der Liniensensor 20 so ausgerichtet, dass der linienförmige Strahl 16 sich
in der X-Richtung
erstreckt. Es soll nun aufgezeigt werden, wie ohne einen Eigenantrieb in
der dritten Drehachse 46 der Liniensensor 20 um die dritte
Drehachse 46 um beispielsweise 90° verdreht werden kann.
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Hierzu
wird zunächst
der Liniensensor 20 drehfest zur dritten Drehachse 46 fixiert,
indem eine raumfeste Einspannung 60 den Liniensensor 20 von beiden
Seiten formschlüssig
ergreift. Es versteht sich, dass der in 2 dargestellte
Mechanismus dabei nur beispielhaft zu verstehen ist.
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Nach
der Fixierung der Position des Liniensensors 20 in der
in den 1 und 2 gezeigten Position wird nun
die Basis 30 auf einer Kreisbahn 62 verfahren,
indem die Linearantriebe der X- und
der Y-Achse entsprechend betätigt
werden. Die Kreisbahn 62 hat dabei einen Mittelpunkt 63,
der auf der verlängerten
dritten Drehachse 46 liegt. Die Basis 30 wird
auf der Kreisbahn 62 im Uhrzeigersinn verfahren, wie mit
einem Pfeil 64 angedeutet.
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Die
Orientierung der Basis 30 bleibt dabei erhalten. Infolge
dessen muss die erste Drehachse 40 dem Verfahren der X-
und Y-Antriebe durch
eine eigene Drehbewegung um 90° im
Gegenuhrze igersinn folgen. Die zweite Drehachse 40 bleibt
inaktiv.
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Durch
diesen Bewegungsablauf wird der dritte Arm 44' im dritten
Drehgelenk 48 um 90° im
Uhrzeigersinn verdreht, ohne dass hierzu ein Eigenantrieb erforderlich
wäre.
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Die
Bewegungsphase von 1 nach 2 ist dann
abgeschlossen, wenn die in 2 durchgezogen
eingezeichnete Stellung erreicht ist. Die erste Drehachse 32' befindet sich
nun im Abstand von ihrer ursprünglichen
Position 32, hat ihre Richtung im Raum jedoch nicht verändert. Die
zweite Drehachse 40 hat ihre Position im Raum nach 40' geändert, also ihre
Orientierung um 90° in
eine Horizontalebene verdreht. Die dritte Drehachse 46 hat
ihre Position und Orientierung im Raum hingegen nicht verändert.
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Es
wird nun die raumfeste Einspannung 60 gelöst, so dass
der Liniensensor 20 wieder frei beweglich ist.
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Die
Basis 30 kehrt nun aus der Position 30' in 2 in
ihre Ausgangsposition 30 wieder zurück, indem die Kreisbahn 62 in
gegenläufiger
Richtung auf einem Viertelkreis durchfahren wird, wie mit einem
Pfeil 66 in 3 angedeutet.
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Nach
Abschluss dieser Bewegungsphase von 2 nach 3 haben
sämtliche
Elemente wieder ihre Ausgangsposition wie in 1, mit Ausnahme
des Liniensensors 20, dessen Orientierung um 90° im Uhrzeigersinn
im Raum verdreht wurde. Folglich hat der linienförmige Strahl 16' nun eine Richtung,
die parallel zur Y-Achse verläuft.
In 3 ist in einem Winkel α eingetragen, dass der Winkel keineswegs
90° betragen
muss sondern beliebige Winkel eingestellt werden können, indem
auf der Kreisbahn 62 entsprechende Kreisbögen (Pfeile 64 und 66)
durchfahren werden.
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Obwohl
auf die geschilderte Weise beliebige Drehwinkel für den Liniensensor 20 eingestellt
werden können,
ist doch praktisch bevorzugt, wenn das dritte Drehgelenk 48 durch
Rastungen zwischen Kugeln und Walzen in bestimmten definierten Winkelschritten
verdrehbar ist, die eine hohe Reproduzierbarkeit gestatten.