DE3524666A1 - Vorrichtung zur exakten positionierung eines in einem system beweglich gefuehrten elements - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur exakten Posi­ tionierung eines in einem System beweglich geführten Ele­ ments gegenüber einer vorgegebenen Zielposition, mit einem das Element grob positionierenden Hauptantrieb und einem dem Hauptantrieb überlagerten, steuerbaren Hilfsantrieb.

Es ist auf vielen Gebieten der Technik erforderlich, ein beweglich geführtes Element in seiner Führungsrichtung sehr exakt in eine vorgegebene Zielposition zu überführen. Ledig­ lich beispielsweise ist als Anwendungsgebiet ein Transport­ system genannt, das geeignet ist, in größeren Regalanlagen an einer ausgewählten Lagerposition einen Gegenstand oder eine Palette ein- oder auszulagern. Um Betriebsstörungen zu vermeiden, ist es erforderlich, die zur Aufnahme des zu transportierenden Gegenstandes dienende Organ an der Trans­ portvorrichtung, z. B. einen Greifer, sehr exakt gegenüber der Lagerposition auszurichten.

Solange eine direkte Beobachtung der Transportvorrichtung an der ausgewählten Lagerposition möglich ist, kann die Feinsteuerung von Hand durchgeführt werden, was jedoch mit entsprechenden Personalkosten verbunden ist. Außerdem stößt eine direkte Beobachtung insbesondere bei großen und hohen Regalanlagen auf Schwierigkeiten. Auch im Zuge der Rationalisierung werden vollautomatische Transport­ systeme angestrebt.

Der bei üblichen Transportsystemen häufig anzutreffende Drehstromantrieb ermöglicht eine Positioniergenauigkeit allenfalls im Zentimeter-Bereich, was für einen automati­ schen Betrieb absolut ungenügend ist. Man kann zwar Ver­ besserungen im Bereich der mechanischen Führung, wie auch einen Austausch des Drehstromantriebs gegen einen Gleich­ stromantrieb mit höherer Positioniergenauigkeit vornehmen.

Derartige Maßnahmen sind relativ kostspielig, insbesondere wenn vorhandene Anlagen auf automatischen Betrieb umgerüstet werden sollen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Posi­ tionierungsvorrichtung der eingangs genannten Art so zu ver­ bessern, daß sie einerseits eine Positionierung mit hoher Präzision ermöglicht, andererseits aber auch mit relativ ge­ ringem Aufwand realisierbar und insbesondere auch zur nach­ träglichen Automatisierung bestehender Systeme ohne umfang­ reiche Eingriffe in diese Systeme geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Zielposition mit einer einen Hell-Dunkel-Kontrast auf­ weisenden Markierung versehen ist, der eine am beweglichen Element ortsfest angebrachte, aus einer Zeile lichtempfindli­ cher Sensoren bestehende Zeilenkamera derart zugeordnet ist, daß die Sensoren nach einem vorgegebenen Muster erregt werden, wenn sich das Element exakt in der Zielposition befindet, und daß die Zeilenkamera über eine Vergleichsschaltung mit der Steuerung des Hilfsantriebs derart verbunden ist, daß der Hilfsantrieb das Element in Richtung auf die Zielpsosi­ tion bewegt, wenn die Erregung der Zeilenkamera von dem vor­ gegebenen Muster abweicht.

Zeilenkameras sind bekannt. Sie ermöglichen eine Auflösung im µ-Bereich, so daß die höchste Positioniergenauigkeit er­ reicht werden kann, die bei weitem allen Präzisionsanforde­ rungen bei mechanischen Systemen gerecht werden kann.

Bei der Automatisierung vorhandener Systeme wird deren An­ trieb als Hauptantrieb beibehalten.

Vorzugsweise wird das bewegliche Element auf einer durch den Hauptantrieb positionierbaren Basis beweglich gelagert und ist durch den Hilfsantrieb zwischen zwei Grenzstellungen bewegbar, wobei eine der Grenzstellungen als Ruheposition festgelegt ist, in der sich das Element unter dem Einfluß einer automatischen Rückstellung vor einem Positioniervor­ gang befindet.

Auf diese Weise wird sichergestellt, daß sich das bewegli­ che Element nach Beendigung der Grobpositionierung durch den Hauptantrieb stets auf der gleichen Seite neben der einzunehmenden Zielposition befindet und durch die über die Zeilenkamera gesteuerte Bewegung des Hilfsantriebs genau in die Zielposition überführt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform für Vorrichtungen mit inner­ halb des Systems in zwei Koordinatenrichtungen beweglich ge­ führtem Element besteht darin, daß die Zeilenrichtung der Zeilenkamera parallel zur einen Koordinatenrichtung ver­ läuft, daß beiden Koordinatenrichtungen jeweils ein Haupt- und ein Hilfsantrieb zugeordnet ist, daß die Markierung beiderseits parallel zur anderen Koordinatenrichtung begrenzt ist und aus zwei Abschnitten besteht, die durch einen schräg zu den Koordinatenrichtungen verlaufenden Zwischenraum derart getrennt sind, daß sich in dieser anderen Koordinaten­ richtung das Verhältnis der in der einen Koordinatenrichtung gemessenen Breiten des ersten und des zweiten Abschnitts verändert, und daß eine zweite Vergleichsschaltung mit der Zeilenkamera verbunden ist, die geeignet ist, das Verhältnis zwischen der Anzahl der durch den ersten Abschnitt und der Anzahl der durch den zweiten Abschnitt beeinflußten Sensoren zu ermitteln und bei einer Abweichung von einem vorgegebenen Wert dieses Verhältnisses den der anderen Koordinatenrichtung zugeordneten Hilfsantrieb in Betrieb zu setzen, bis dieses Verhältnis einem vorgegebenen Wert entspricht.

Vorzugsweise ist jedem Hilfsantrieb eine Geschwindigkeits­ steuerung derart zugeordnet, daß die Geschwindigkeit mit zunehmender Annäherung des von der den Hilfsantrieb steuern­ den Vergleichsschaltung ermittelten Ist-Wertes an den vor­ gegebenen Soll-Wert bis zum Stillstand beim Erreichen des Soll-Wertes abnimmt.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung als Teil eines Transportsystems zur Ein- und Auslagerung von Lagergut in einem Regalsystem mit in zwei Koordinaten­ richtungen geordneten Lagerpositionen, in welche in einer dritten Koordinatenrichtung Aufnahmen für das Lagergut einschiebbar und in der Gegenrichtung aus ihnen heraus­ schiebbar sind, besteht darin, daß das bewegliche Element einen in der dritten Koordinatenrichtung beweglich geführ­ ten Greifer für die Übernahme oder Abgabe einer Aufnahme trägt, daß die Aufnahmen und die Lagerpositionen mit weit­ gehend spielfrei einander zugeordneten Führungselementen versehen sind und daß die Markierungen in jeder Lagerposi­ tion am Regalsystem angebracht sind.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der nun folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Be- und Entladen von Regalsystemen,

Fig. 2 eine zur Kennzeichnung der Zielposition geeignete Markierung aus der Sicht der Zeilenkamera,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des an der Zeilen­ kamera erzeugten Signalbildes nach Beendigung der Grobpositionierung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 3 nach Beendigung der horizontalen Feinpositionierung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 3 und 4 nach Beendigung der vertikalen Feinpositionierung.

In Fig. 1 ist eine Transportvorrichtung dargestellt, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist und die dem Ein- und Aus­ lagern von Lagerbehältern 12 dient, denen in einem Regal­ system in horizontalen Reihen 14 und vertikalen Reihen 16 geordnete Lagerpositionen zugeordnet sind. Das Regalsystem ist in Fig. 1 nur schematisch angedeutet, es umfaßt in der Regel eine Mehrzahl von Regalen, die von Gängen getrennt sind, in welchen sich die Transportvorrichtung 10 z. B. auf Führungsschienen 18 geführt in horizontaler Richtung be­ wegen kann. Zu diesem Zweck ist die Transportvorrichtung 10 mit in einem Rahmen 20 gelagerten Räderpaaren 22 und 24 versehen. Vom Rahmen 20 aus erstreckt sich eine verti­ kale Führung 26 entsprechend der Regalhöhe nach oben. An der Führung 26 ist vertikal beweglich ein Schlitten 28 geführt, der eine Kabine 30 für eine Bedienungsperson und im Sichtbereich der Bedienungsperson eine zur Führung 26 parallele Führung 32 aufweist. An der Führung 32 ist vertikal beweglich eine Konsole 34 geführt, die ihrerseits eine zur Bewegungsrichtung des Rahmens 20 längs der Führungsschienen 18 parallele, horizontale Führung 36 für einen Schlitten 38 aufweist. Der Schlitten 38 ist mit horizontalen, rechtwinklig zur Führung 36 verlaufenden Führungen 40 und 42 für eine Greifvorrichtung 44 versehen, die geeignet ist, einen Lagerbehälter 12 zu ergreifen und aus seiner Lagerposition im Regalsystem in horizontaler Richtung herauszuziehen und auf die Konsole 34 zu über­ führen bzw. einen Lagerbehälter 12 aus dem Bereich der Konsole 34 wieder in die ihm zugeordnete Lagerposition im Regalsystem zu überführen.

Für die vorstehend beschriebenen Bewegungen sind geeignete Antriebsvorrichtungen vorgesehen, die zur besseren Über­ sichtlichkeit nicht näher dargestellt sind. Lediglich ein Antrieb 46 für die Bewegung der Transportvorrichtung 10 längs der Führungsschienen 18 und die Bewegung des Schlittens 28 längs der Führung 26 ist schematisch darge­ stellt. Dabei handelt es sich um einen Drehstromantrieb.

Für die Bewegung der Konsole 34, des Schlittens 38 und der Greifvorrichtung 44 sind Gleichstromantriebe vorgesehen. Nachfolgend wird die horizontale Bewegungsrichtung der Transportvorrichtung 10 als erste Koordinatenrichtung und die vertikale Bewegungsrichtung des Schlittens 28 als zweite Koordinatenrichtung bezeichnet. Die Führung 36 für den Schlitten 38 verläuft ebenfalls in der ersten, die Füh­ rung 32 für die Konsole 34 in der zweiten Koordinatenrich­ tung. Der Schlitten 38 als das gegenüber einer ausgewählten Lagerposition zu positionierende Element kann demnach in der ersten wie in der zweiten Koordinatenrichtung jeweils durch den als Grobantrieb dienenden Drehstromantrieb, wie auch durch einen als Feinantrieb dienenden Gleichstroman­ trieb bewegt werden. Die Bewegung der Greifvorrichtung 44 relativ zum Schlitten 38 erfolgt in einer dritten Koordi­ natenrichtung.

Eine Zeilenkamera 48, bestehend aus einer Anzahl in einer Zeile nebeneinander angeordneter, lichtempfindlicher Sen­ soren in Form von Dioden, bekannt als CCD (charged coupled device), ist derart fest mit dem Schlitten 38 verbunden, daß ihre Zeilenrichtung der ersten Koordinatenrichtung entspricht und sie gegen die der Transportvorrichtung zuge­ wandte Frontseite des Regals gerichtet ist. An dieser Frontseite sind die einzelnen Lagerpositionen für die Behäl­ ter mit einen Hell-Dunkel-Kontrast bietenden Markierungen 50 versehen, welche von der Zeilenkamera 48 abgetastet werden können.

Nach der Auswahl einer bestimmten Lagerposition wird der Schlitten 38 mit der dem Grobantrieb zur Verfügung stehen­ den Genauigkeit an diese Zielposition herangeführt, so daß die Markierung 48 in der Regel bereits von der Zeilen­ kamera erfaßt wird. Der Feinantrieb wird anschließend einge­ setzt, um den Schlitten 38 präsise gegenüber der Markierung 50 auszurichten. Da sich die Markierungen 50 am Regal be­ finden, während die Greifvorrichtung 44 den Lagerbehälter 12 erfassen oder präzise in die ausgewählte Lagerposition überführen soll, muß in jeder Lagerposition ein sehr exakte Führung für die Lagerbehälter 12 vorgesehen sein.

Die Feinantriebe sind geeignet, den Schlitten 38 bzw. die Konsole 34 jeweils über eine begrenzte, lediglich der Feineinstellung dienende Strecke zwischen zwei Grenzstellun­ gen zu bewegen, von denen jeweils eine als Ruhestellung ausgewählt ist, in der sich der Schlitten 38 bzw. die Konsole 34 befindet, bevor die Feineinstellung beginnt. Die Rückführung in die Ruhestellung erfolgt automatisch; sie kann z. B. automatisch ausgelöst werden, wenn in der betreffenden Koordinatenrichtung der Grobantrieb betätigt wird, wodurch erkennbar ist, daß die zuvor angesteuerte Zielosition nicht mehr gewünscht ist.

Da die Feineinstellung immer von der Ruhestellung aus durch­ geführt wird, ist für die Feineinstellung stets die gleiche Bewegungsrichtung vorgesehen.

Die Markierung 50 besteht aus einem Rechteck, dessen lange Seiten 52 und 54 in der zweiten Koordinatenrichtung ver­ laufen und das von einem Diagonalstreifen 56 durchquert wird, so daß die Markierung 50 in zwei voneinander getrennte Abschnitte 50 a und 50 b unterteilt ist. In Fig. 2 ist die der genauen Positionierung des Schlittens 38 dienende Mitte der Markierung 50 durch die Kreuzung der vertikalen Achse 58 mit der horizontalen Achse 60 gekennzeichnet. Die Zeilenkamera 48 führt mit Hilfe zweier Vergleichsschaltun­ gen und der erläuterten Feinantriebe die exakte Ausrichtung des Schlittens 38 auf diese Mitte 62 der Markierung 50 durch, wie dies nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 5 näher erläutert wird.

In Fig. 3 ist angenommen, daß nach der Positionierung des Schlittens 38 durch den Grobantrieb der Schlitten 38 sich entsprechend der Auswahl der rechten Grenzstellung in der ersten Koordinatenrichtung und der oberen Grenzstellung in der zweiten Koordinatenrichtung als jeweiliger Ruhestel­ lung rechts oberhalb der Zielposition befindet. Diese Posi­ tion wird in Fig. 2 durch die Kreuzung der Achsen 64 und 66 dargestellt und ist mit 68 gekennzeichnet.

In den Fig. 3 bis 5 ist das durch die Zeilenkamera 48 er­ zeugte Signalbild schematisch dargestellt, wobei zur Verein­ fachung der Darstellung eine Zeile mit nur 14 Dioden ange­ nommen wird. Wird von einer Diode einer der Abschnitte 50 a oder 50 b erfaßt, entsteht ein Rechtecksignal. Ist die Zeilenmitte der Zeilenkamera 48, die in den Fig. 3 bis 5 durch die Linie 70 gekennzeichnet ist, auf den in Fig. 2 mit 68 gekennzeichneten Punkt ausgerichtet, ergibt sich das in Fig. 3 dargestellte Signalbild, das zwei Symmetrie­ störungen aufweist: das Gesamtsignal ist seitlich gegen­ über der Zeilenmitte 70 verschoben und das Signal ist durch eine Unterbrechung 72 in zwei ungleiche Blöcke 74 und 76 unterteilt. Bezeichnet man den Abstand des rechten Signal­ randes von der Zeilenmitte mit a ₁ und den Abstand des linken Signalrandes von der Zeilenmitte mit a₂, so wird durch eine diese Größen überprüfende erste Vergleichs­ schaltung festgestellt a ₁ ≠ a₂. Dadurch wird von dieser Vergleichsschaltung der Feinantrieb zur Verstellung des Schlittens 38 in der ersten Koordinatenrichtung ausgelöst. Zugleich wird das Ausmaß der Abweichung von der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Mittellage mit der Bedingung a ₁ = a ₂ festgestellt und in Abhängigkeit von dieser Ab­ weichung die Geschwindigkeit des Feinantriebs derart ge­ steuert, daß die Geschwindigkeit mit abnehmender Abwei­ chung ebenfalls abnimmt und beim Erreichen der Mittelposi­ tion a ₁ = a ₂ den Wert Null annimmt.

Eine zweite Vergleichsschaltung ermittelt die Breite b ₁ des rechten Signalblocks 74 und b ₂ des linken Signalblocks 76 und setzt den der zweiten Koordinatenrichtung zugeordne­ ten, die Konsole 34 bewegenden Feinantrieb in Bewegung, wenn sie feststellt b ₁ ≠ b ₂. Zugleich wird die Geschwin­ digkeit des Feinantriebs in der bereits beschriebenen Weise gesteuert, d. h. die Geschwindigkeit ist umso größer, je größer die festgestellte Abweichung ist. Der Feinantrieb kommt zum Stillstand, wenn die Vergleichsschaltung fest­ stellt b ₁ = b ₂. Die Aufeinanderfolge der Fig. 3 bis 5 ist so gewählt, als würde in der Situation nach Fig. 3 zunächst die Feineinstellung in der ersten Koordinaten­ richtung durchgeführt, um das Signalbild nach Fig. 4 zu erhalten, worauf dann durch die Feineinstellung in der zweiten Koordinatenrichtung das Signalbild nach Fig. 5 erhalten wird, das der präzisen Ausrichtung auf die Zielpo­ sition entspricht. Die Feineinstellung in beiden Koordina­ tenrichtungen kann aber gleichzeitig durchgeführt werden, sie wurde lediglich zum besseren Verständnis der Funktions­ weise der Zeilenkamera in der Zeichnung in aufeinanderfol­ genden Schritten dargestellt.

Nachdem die Zielposition erreicht ist, kann die Greifvor­ richtung 44 betätigt werden.

Da die Vorrichtung automatisch betreibbar ist, wird eine Bedienungsperson in der Regel nicht benötigt. Die Kabine 30 ist vorhanden, weil einerseits davon ausgegangen wird, daß die Transportvorrichtung 10 nachträglich auf automa­ tischen Betrieb umgestellt wurde, und weil andererseits im Falle von Störungen ein Notbetrieb mit Handsteuerung durchgeführt werden kann.

Da bei der Auswertung des von der Markierung 50 erzeugten Signalbildes keine Absolutmessung, sondern nur eine Rela­ tivmessung durchgeführt wird, ergibt sich der Vorteil, daß die Vorrichtung in den Grenzen des Tiefenschärfenbereichs der Zeilenkamera 48 weitgehend unempfindlich ist gegen Änderungen des Meßabstandes zwischen der Markierung 50 und der Zeilenkamera 48.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur exakten Positionierung eines in einem System beweglich geführten Elements gegenüber einer vorgegebenen Zielposition, mit einem das Element grob posi­ tionierenden Hauptantrieb und einem dem Hauptantrieb über­ lagerten, steuerbaren Hilfsantrieb, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zielposition mit einer einen Hell-Dunkel- Kontrast aufweisenden Markierung (50) versehen ist, der eine am beweglichen Element (38) ortsfest angebrachte, aus einer Zeile lichtempfindlicher Sensoren bestehende Zeilen­ kamera (48) derart zugeordnet ist, daß die Sensoren nach einem vorgegebenen Muster erregt werden, wenn sich das Element (38) exakt in der Zielposition befindet, und daß die Zeilenkamera (48) über eine Vergleichsschaltung mit der Steuerung des Hilfsantriebs derart verbunden ist, daß der Hilfsantrieb das Element (38) in Richtung auf die Zielposition bewegt, wenn die Erregung der Zeilenkamera (48) von dem vorgegebenen Muster abweicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das bewegliche Element (38) auf einer durch den Hauptantrieb (46) positionierbaren Basis beweglich gela­ gert und durch den Hilfsantrieb zwischen zwei Grenzstel­ lungen bewegbar ist, wobei eine der Grenzstellungen als Ruheposition festgelegt ist, in der sich das Element (38) unter dem Einfluß einer automatischen Rückstellung vor einem Positioniervorgang befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die automatische Rückstellung durch eine Betätigung des Grobantriebs (46) auslösbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che mit einem innerhalb des Systems in zwei Koordinaten­ richtungen beweglich geführten Element, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeilenrichtung der Zeilenkamera (48) parallel zur einen Koordinatenrichtung verläuft, daß bei­ den Koordinatenrichtungen jeweils ein Haupt- und ein Hilfs­ antrieb zugeordnet ist, daß die Markierung (50) beiderseits parallel zur anderen Koordinatenrichtung begrenzt ist und aus zwei Abschnitten (50 a, 50 b) besteht, die durch einen schräg zu den Koordinatenrichtungen verlaufenden Zwischen­ raum (56) derart getrennt sind, daß sich in dieser anderen Koordinatenrichtung das Verhältnis der in der einen Koordi­ natenrichtung gemessenen Breiten des ersten und des zweiten Abschnitts verändert, und daß eine zweite Vergleichs­ schaltung mit der Zeilenkamera (48) verbunden ist, die geeignet ist, das Verhältnis zwischen der Anzahl der durch den ersten Abschnitt und der Anzahl der durch den zweiten Abschnitt beeinflußten Sensoren zu ermitteln und bei einer Abweichung von einem vorgegebenen Wert dieses Verhältnisses den der anderen Koordinatenrichtung zuge­ ordneten Hilfsantrieb in Betrieb zu setzen, bis dieses Verhältnis einem vorgegebenen Wert entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Hilfsantrieb eine Geschwindigkeitssteuerung derart zugeordnet ist, daß die Geschwindigkeit mit zunehmender Annäherung des von der den Hilfsantrieb steuernden Vergleichsschaltung ermittelten Ist-Wertes an den vorgegebenen Soll-Wert bis zum Stillstand beim Erreichen des Soll-Wertes abnimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder den Ansprüchen 4 und 5 als Teil eines Transportsystems zur Ein- und Aus­ lagerung von Lagergut in einem Regalsystem mit in zwei Koordinatenrichtungen geordneten Lagerpositionen, in welche in einer dritten Koordinatenrichtung Aufnahmen für das Lagergut einschiebbar und in der Gegenrichtung aus ihnen herausschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (38) einen in der dritten Koordina­ tenrichtung geführten Greifer (44) für die Übernahme oder Abgabe einer Aufnahme (12) trägt, daß die Aufnahmen (12) und die Lagerpositionen mit weitgehend spielfrei einander zugeordneten Führungselementen versehen sind und daß die Markierungen in jeder Lagerposition am Regalsystem ange­ bracht sind.