DE3504464C1 - Transportables Meßgerät zur Überprüfung der Positioniergenauigkeit eines programmgesteuerten Gerätearmes - Google Patents

Description

• Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß mit nur einem Meßgerät und ohne Versetzen des Meßgerätes in einem großen Arbeitsraum nicht nur eine Punktmessung sondern auch die Vermessung von beliebigen Bahnen, wie zum Beispiel von Geraden, Kreisen usw., durchführbar ist. Es zeigt F i g. 1 einen einzelnen mit einem Längenmeßgeber ausgestatteten Kugelmeßstab bekannter Art in perspektivischer Darstellung, F i g. 2 die perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meßgerätes zur Überprüfung räumlichcr Bewegungsabläufe, Fig.3 die perspektivische Darstellung des dreidimensionalen Meßbereiches, F i g. 4 eine Ansicht des Meßbereiches von oben, F i g. 5 einen Schnitt durch den Meßbereich in Richtung V-V in Fig. 4, F i g. 6 einen Schnitt durch das am Gerätearm befestigte Dreifach-Kugelgelenk, Fig. 7 eine Ankopplung der Teleskopstäbe mittels Blattfedern an ein gemeinsames Kugelgelenk, F i g. 8 und F i g. 9 perspektivische Darstellungen erfindungsgemäßer Anordnungen mit sechs Teleskopstäben.
• Gemäß F i g. list auf die Werkstückauflageplatte 1 eines Koordinatenmeßgerätes eine Halteplatte 2 aufgespannt. An der Halteplatte 2 ist eine mit einem Permanentmagneten ausgestattete Kugelpfanne 3 befestigt, in welcher eine aus magnetisierbarem Material bestehende Gelenkkugel 4 Drehungen um die drei Raumachsen u, v, w ausführen kann. Die Gelenkkugel 4 ist an einem Ende eines aus zwei Teleskopstangen 5 und 6 zusammengesetzten Teleskopstabes befestigt, welcher an seinem anderen Ende eine weitere Gelenkkugel 7 trägt.
• Die Gelenkkugel 7 dreht sich in einer permanentmagnetischen Kugelpfanne 8, welche in der Pinole 9 des Koordinatenmeßgerätes eingespannt ist. Der Mittelpunkt der Gelenkkugel 7 führt mit der Pinole 9 je nach Programmierung des Koordinatenmeßgerätes Bewegungen in den Koordinatenrichtungen x, y, z aus. Diese Bewegungen werden von dem ortsfesten Mittelpunkt der Gelenkkugel 4 aus gemessen.
• Um die jeweilige Länge R des Kugelmeßstabes 5, 6, die mit den Koordinaten x, zdurch die Gleichung verknüpft ist, bestimmen zu können, ist an dem Teleskopstab 6 ein induktiver Wegaufnehmer 10 angeordnet, welcher über Leitungen mit einer Recheneinheit verbunden ist. Die Recheneinheit liegt über Leitungen am Stromnetz und steuert mittels weiteren Leitungen eine Anzeige- und/oder Schreibeinheit.
• Der in F i g. 1 gezeigte einzelne Kugelmeßstab 5, 6 erlaubt im wesentlichen nur die Messungen radialer Abweichungen von Kugelflächen oder von ebenen Kreisausschnitten aus diesen Kugelflächen. Um die absoluten Größen aller Raumkoordinaten x, y, z unabhängig voneinander feststellen zu können, sind gemäß F i g. 2 an einer gemeinsamen Basisplatte 21 drei jeweils mit Längenmeßgebern lOa-lOc ausgestattete Kugelmeßstäbe 5a, 6a-5c, 6c angelenkt. Die Basisplatte 21 ist mit einer nicht näher dargestellten Halteeinrichtung bekannter Art ausgestattet, damit sie an der Werkstückauflageplatte 22 des Industrieroboters 23 festlegbar ist. Sie trägt drei permanentmagnetische Kugelpfannen 3a-3c, welche in Form eines vorzugsweise gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, dessen Grundseite g die Basislänge der Messung bildet.
• Das jeweils andere Ende der Kugelmeßstäbe 5a, 6a-5c, 6c ist an einem Adapter 24 angelenkt, welcher in den am Gerätearm 29 des Industrieroboters 23 angeordneten Werkstückhalter 25 eingesetzt ist.
• Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist der untere Teil des Adapters 24 als Kugel vom Radius r ausgebildet. Die Kugel 24a besteht aus magnetisierbarem Material, so daß die mit jeweils einem Permanentmagneten 27 aus- gestatteten Kugelpfannen 26a-26c von dieser Kugel angezogen werden. Die Kugelpfannen 26a-26csind im Falle der Anordnung gemäß F i g. 6 nicht direkt, sondern unter Zwischenschaltung je einer Verlängerungsstange 28a-28c an die Teleskopstäbe 5a-5c angeschraubt, wodurch sich der Meßbereich des erfindungsgemäßen Meßgerätes (vgl. F i g. 3 bis 5) an die beim jeweils vermessenen Industrieroboter vorliegenden Verhältnisse anpassen läßt.
• Unter dem Einfluß der von dem Permanentmagneten 27 ausgehenden Magnetkräfte legen sich die Kugelpfannen 26a-26c so an die Oberfläche der Kugel 24a an, daß sich die Mittelachsen der Teleskopstäbe 5a, 6a-5c, 6c bzw. der Verlängerungsstäbe 28a-28c in einem gemeinsamen, stets im Mittelpunkt der Kugel 24a liegenden Punkt P schneiden, welcher somit gegenüber dem Adapter 24 und der Werkzeugaufnahme 25 in Ruhe bleibt. Die Koordinatenverschiebungen des Punktes P lassen sich aus den Längen p, h und g des die Maßbasis bildenden Dreiecks und aus den jeweiligen Stablängen a-c der Teleskopstäbe 5a-5c, 6a-6c (Fig. 2), wie folgt berechnen: c22j$h2+2PY (II) a2 - b2 + g2 y = (III) 2g Wenn sich im Meßbereich des Gerätes die Winkel zwischen den Teleskopstäben nur wenig ändern, kann die Anlenkung an den Adapter auch gemäß F i g. 7 erfolgen. Die Teleskopstäbe 5a, 6a-5c, 6c sind mit Blattfedergelenken 29a-29c an einem gemeinsamen Kugelgelenk 30 angekoppelt, welches seinerseits mit dem Adapter 24 starr verbunden ist. Die Mittelachsen der Teleskopstäbe schneiden sich während der Schwenkbewegungen des Gerätes nur näherungsweise im Mittelpunkt des Kugelgelenkes 30. Die nach den Formeln II, III, IV errechneten Koordinaten des Kugelmittelpunktes sind in diesem Fall mit systematischen Abweichungen behaftet, die in der Recheneinheit, soweit erforderlich, korrigiert werden können. Gemäß den Figuren 3 und 4 ist der maximale räumliche Meßbereich des erfindungsgemäßen, mit drei Teleskopstäben ausgerüsteten Meßgerätes aus drei oberhalb der Werkstückauflage des Industrieroboters liegenden schalenförmigen Segmenten zusammengesetzt, in welche sich im Abstand I von der Werkstückauflage eine einheitliche ebene Fläche Feinschreiben läßt, wobei l die Länge eines zusammengeschobenen Teleskopstabes und RK den Radius des größten in die Fläche Feinschreibbaren Kreises darstellt.
• Fig. 5 zeigt die tatsächlichen Größenverhältnisse des zur Verfügung stehenden Meßbereiches in Abhängigkeit von der Länge I der verwendeten Teleskopstäbe in der in F i g. 4 durch den Schnitt V-V gekennzeichneten Ebene. Der Darstellung ist eine Basislänge von g = 150 mm zugrunde gelegt. Die strichpunktierte eingezeichneten Linien t verbinden die Punkte welche in den jeweiligen Höhen I mit dem oben an der Linie t angegebenen Teleskophub erreicht werden können.
• In F i g. 8 und 9 sind zwei Anordnungen von je sechs Teleskopstäben 5a, 6am5!, 6f dargestellt, bei denen aus den Längen der Teleskopstäbe außer den drei Koordinaten eines Adapterpunktes auch die drei Orientierungswinkel des Adapters 24 bestimmt werden. In der Anordnung gemäß F i g. 9 schneiden sich in jedem der Kugelgelenke 3a-3c, 30a-30c die Mittelachsen von zwei Teleskopstäben, so daß auf der Basisplatte 21 und am Adapter 24 je drei Doppelgelenke benötigt werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Transportables Meßgerät zur Überprüfung der Positioniergenauigkeit eines programmgesteuerten Gerätearmes mittels teleskopartig ausziehbarer Längenmeßgeber, die an eine Recheneinheit zum Feststellen der Längenänderung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an einer gemeinsamen an der Werkstückauflage (22) des Gerätes festlegbaren Basispiatte (21) mehrere Kugelgelenke (3a-3f) angeordnet sind, welche mittels mehrerer, an diesen Kugelgelenken angelenkter Teleskopstäbe (5a, 6a-5f, 6f) mit einem am Gerätearm befestigten Adapter (24) verbunden sind, wobei die Teleskopstäbe (5a, 6a-5f, 6f) so am Adapter (24) angelenkt sind, daß eindeutige Zusammenhänge zwischen den zu ermittelnden Koordinaten des Adapters (24) und den Längen der Teleskopstäbe bestehen, daß zwischen den Teleskophälften der Teleskopstäbe (5a, 6a-5f, 6f) je ein Längenmeßgeber (10a- 10f) eingeschaltet ist, und daß die Längenmeßgeber (10a- 10f) der Teleskopstäbe an eine Recheneinheit zur Ermittlung der gesuchten Koordinaten des Adapters (24) angeschlossen sind.
2. 2. Meßgerät nach Anspruch 1, zur Ermittlung der drei Ortskoordinaten eines gegenüber dem Adapter (24) in Ruhe befindlichen Punktes (P), dadurch gekennzeichnet, daß drei Teleskopstäbe (5a, 6a-5c, 6c) an der Basisplatte (21) und am Adapter (24) so angelenkt sind, daß sich die Mittelachsen der Teleskopstäbe in dem betreffenden Punkt (P) schneiden und daß die Kugelgelenke (3a-3c) auf der Basisplatte (21) ein Dreieck bilden.
3. 3. Meßgerät nach Anspruch 1, zur gleichzeitigen Ermittlung der drei Ortskoordinaten eines Punktes des Adapters (24) und der drei Orientierungswinkel des Adapters (24), dadurch gekennzeichnet, daß sechs Teleskopstäbe (5a, 6a-5f, 6f) an der Basisplatte (21) und an dem Adapter (24) so angelenkt sind, daß innerhalb des nutzbaren Bewegungsbereichs die Längen der Teleskopstäbe und die räumliche Lage des Adapters einander eindeutig zugeordnet sind.
4. 4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelgelenke (3a -3t; 30, 30a-30f) bzw. das Dreifachgelenk (24a, 26a-26c) als Permanentmagnetgelenke ausgeführt sind.
5. 5. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Teleskopstäbe (5a, 5c-6a, 6c) mittels Blattfedergelenken (29a-29c) so an ein gemeinsames, am Adapter (24) befestigtes Kugelgelenk (30) angelenkt sind, daß sich die Mittelachsen der Teleskopstäbe mit ausreichender Näherung im Mittelpunkt des Kugelgelenkes (30) schneiden.
6. 6. Meßgerät nach einem der Ansprüch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenmeßgeber (10a-10f) von induktiven oder kapazitiven, analog messenden Wegaufnehmern oder von optoelektronischen, induktiven oder kapazitiven Inkrementalmeßsystemen gebildet werden.

   Die Erfindung betrifft ein transportables Meßgerät zur Überprüfung der Positioniergenauigkeit eines pro- grammgesteuerten Gerätearms mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

   Meßeinrichtungen bekannter Art mit einem kinematischen Normal, das von einem Teleskopstab oder von einem starren Meßstab gebildet wird, werden u. a. für die Ermittlung der zufälligen und systematischen Abweichungen des Meßergebnisses eines Koordinatenmeßgerätes von einer ebenen Kreisbahn verwendet, welche Rückschlüsse auf die mit dem Koordinatenmeßgerät erzielbare Meßgenauigkeit zulassen.

   Aus der DE-OS 29 49 439 ist ferner ein Gegenstand bekannt, der sich auf einen Taster zur mehrachsigen Wegmessung bezieht, mit einem Gehäuse, einem Tasterschaft, der in dem Gehäuse elastisch aufgehängt ist und am Ende eine Tastkugel trägt, und Wegmeßumformern, die zwischen Tasterschaft und Gehäuse befestigt sind. Dabei sind mindestens zwei Wegmeßumformer vorhanden, die alle in ihrer Wirkungsrichtung achsparallel zueinander etwa in der Ebene der elastischen Aufhängung angeordnet und an einen elektronischen Rechner angeschlossen sind. So ist beispielsweise ein Tasterschaft an einem Teller befestigt. An diesem Teller ist der Taster elastisch federnd mit einer Blattfeder im Gehäuse gelagert. In dieser Tellerebene sind drei induktive Wegmeßumformer um 1200 versetzt angeordnet. Die Ferritkerne der Wegmeßumformer sind mit dem Teller und den Spulen des Wegmeßumformers mit dem Gehäuse verbunden. Diese Spulen sind außerdem an einen elektronischen Rechner angeschlossen. Mit den drei Meßwerten der drei Wegmeßumformer kann vom Rechner entsprechend dem vorgegebenen Programm sofort das Meßergebnis in x-, y- und z-Koordinaten errechnet werden. Der Gegenstand der DE-OS 29 49439 ist für die Messung kleinster Wege konzipiert. Der bevorzugte Meßbereich ist die sehr genaue Messung kleinster Ausschläge. Mit dem Gegenstand der DE-OS 29 49 439 kann nur die Vermessung eines ruhenden Objektes, d. h. also eine Punktmessung, vorgenommen werden. Mit dem Taster gemäß der DE-OS 2949439 kann nicht die Orientierung eines Punktes, beispielsweise entlang einer programmierten Bahn, gemessen werden.

   Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde. ein transportables Meßgerät gemäß dem Gegenstand des obigen Patentanspruchs 1. zu schaffen, indem insbesondere alle Bewegungskoordinaten eines in drei Koordinatenrichtungen beweglichen Gerätearms überprüft werden können, um die Positionen und Orientierungen von programmgesteuerten Gerätearmen in einem großen Arbeitsraum zu bestimmen, dabei soll das Meßgerät leicht transportierbar sein und an verschiedene mit einem programmgesteuerten Gerätearm ausgestattete Meß-, Bearbeitungs- und Handhabungsgeräte, sogenannte Industrieroboter, einsetzbar sein.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 6 gekennzeichnet.