DE3629689A1 - Positions-messvorrichtung - Google Patents

Positions-messvorrichtung

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David Allan Wright
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    • Y10S33/21Geometrical instruments with laser

Description

Die Erfindung betrifft eine Positions-Meßvorrichtung zum Messen der Position eines Punktes in drei Dimensionen relativ zu einem Bezugspunkt. Vorrichtungen dieser Art werden gewöhnlich zum Messen der Maße eines Werkstückes verwendet, wobei gewöhnlich ein geeignet gelagerter Werk­ tisch vorgesehen ist, auf dem das Werkstück montiert ist. Ein Paar horizontaler Führungen ist fest relativ zu dem Arbeitstisch angeordnet und trägt einen beweglichen Aufbau. Dieser Aufbau seinerseits trägt ein weiteres Paar Führungen, ebenso horizontal, jedoch rechtwinklig zu den ersten Führungen. Ein beweglicher Schlitten ist auf den zweiten Führungen montiert und trägt eine Sonde, die vertikal verschiebbar ist. Die Sondenspitze ist der Meßpunkt, der mittels des Schlittens zu jedem Punkt innerhalb eines Meßvolumens bewegbar ist, das durch die Konstruktion der Vorrichtung bestimmt ist. Jede Bewegungsachse ist mit Mitteln versehen zum Messen der Verschiebung der Sondenspitze längs dieser Achse.

Meßvorrichtungen dieses allgemeinen Typs können hinsichtlich Größe und Aufbau beträchtlich variieren. Bei kleinen Meßmaschinen kann das erste Führungspaar, welches den beweglichen Aufbau trägt, auf einer Seite des Arbeitstisches angeordnet sein und der Aufbau ragt freitragend über den Arbeitstisch weg, um der Sonde den erforderlichen Bewegungsbereich zu geben.

Bei großen Meßmaschinen kann ein Brückenaufbau verwendet werden, der auf Führungen läuft, die auf gegenüberliegenden Seiten des Arbeitstisches angeordnet sind und er kann einen Schlitten tragen, der sich quer über den Arbeitstisch bewegen läßt.

Es treten jedoch bei den bekannten Vorrichtungen Probleme auf, wenn die Abmessungen sehr großer Gegenstände gemessen werden sollen, da mit zu­ nehmendem Meßvolumen auch Fehler zunehmen wegen Verbiegungen und Verdrillungen der die Sonde tragenden Stützelemente. Es stehen zwar sehr verfeinerte Techniken zur Verfügung zum Korrigieren solcher Fehler, nichtsdestoweniger besteht aber eine Grenze hinsichtlich der maximalen Größe solcher Meß­ vorrichtungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die genaue Messungen auch bei sehr großen Werkstücken ermöglicht unter Ver­ meidung der obigen Probleme.

Nach der Erfindung ist hierzu eine dreidimensionale Positionsmeßvorrichtung vorgesehen zum Bestimmen der Position eines Punktes, der durch ein Meß­ volumen bewegbar ist relativ zu einer Gruppe von Bezugsachsen, mit einer Sonde, die eine Spitze hat, welche die Position des beweglichen Punktes definiert, einem ersten und einem zweiten Bezugspunkt, die einen Abstand voneinander haben und in einem festen bekannten räumlichen Verhältnis zueinander und zur Sondenspitze stehen, Einrichtungen zum Bewegen der Sonde, so daß die Sondenspitze in jedem gewünschten Punkt innerhalb des Meßvolumens positioniert werden kann, wenigstens drei Distanz-Meßeinrichtungen, wobei wenigstens ein Teil von jeder außerhalb des Meßvolumens in einer separaten, festen bekannten Position relativ zu den Bezugsachsen liegt und durch welche der Abstand zwischen der festen bekannten Position und jedem Bezugspunkt auf der Sonde bestimmbar ist, sowie mit einer Rechenein­ richtung, die auf die Signale anspricht, die von jeder Distanz-Meßeinrichtung erhalten werden, um die Position der Sondenspitze relativ zu den Bezugsachsen zu bestimmen.

Die Bezeichnung "Proben-Spitze", wie sie hier verwendet wird, umfaßt nicht nur eine mechanische Probenspitze, die einen physischen Kontakt mit dem Werk­ stück herstellt, sondern auch nicht-berührende Sonden, wie z.B. die sogenannte Laser-Sonde.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch die räumliche Anordnung der Komponenten der Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform zeigt.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch die Hauptkomponenten der Meßvorrichtung. Die Meß- Sonde 10, die in größerem Maßstab als die übrigen Elemente dargestellt ist, besteht aus einem stabilen Element, das an einem Ende eine Sondenspitze 11 hat. Das andere Ende der Sonde 10 trägt einen ersten Spiegel an einem ersten Bezugspunkt 12 und ein zweiter Spiegel ist am zweiten Bezugspunkt 13 nahe der Sondenspitze 11 angeordnet. Die beiden Spiegel reflektieren Strahlung zurück längs einer Bahn nahe dem einfallenden Strahl. Geeignet hierfür sind beispielsweise kubische Eck-Reflektoren.

Um die nichtgezeigte Begrenzung des Volumens herum sind drei Träger 14 angeordnet, von denen jeder eine Distanz-Meßeinrichtung 15, wie z.B. einen Laser-Entfernungsmesser trägt. Jede Distanz-Meßeinrichtung hat zwei Entfernungsmesser, von denen der eine auf den Spiegel im Bezugspunkt 12 und der andere auf den Spiegel im Bezugspunkt 13 gerichtet ist. Die Laser- Entfernungsmesser sind steuerbar, um sicherzustellen, daß sie immer auf die Sonde 10 zu gerichtet sind, um die Messungen durchzuführen. Wie schematisch dargestellt, ist eine Art beweglicher Roboter 16 vorgesehen, der die Sonde 10 an einem gelenkigen Arm 17 trägt, so daß die Sondenspitze 11 in Kontakt mit jedem gewünschten Punkt am Werkstück 18 gebracht werden kann. Eine Recheneinrichtung 19 ist mit jeder der Distanzmeßeinrichtungen gekoppelt.

Im Betrieb wird die Sondenspitze 11 in Kontakt mit einem gewünschten Punkt auf der Oberfläche des Werkstückes 18 gebracht. Die Richtung, in welcher sich die Sonde 10 von der Sondenspitze 11 aus erstreckt, ist nicht fixiert. Die Entfernungsmesser 15 auf den Trägern 14 bestimmen den Abstand zwischen sich und dem Spiegel an dem geeigneten der beiden Bezugspunkte. Die räumliche Position jedes Bezugspunktes kann durch Dreiecksrechnung bestimmt werden, vor­ ausgesetzt natürlich, daß die Positionen der Entfernungsmesser relativ zu einem gegebenen Fixpunkt bekannt sind. Kennt man die Positionen der beiden Bezugspunkte und den räumlichen Zusammenhang zwischen diesen und der Sonden­ spitze, so ist es eine einfache Sache, die Position der Sondenspitze relativ zu dem gegebenen Fixpunkt zu berechnen.

In der Praxis ist ein einziger Spiegel meist nicht in der Lage, Licht zu drei oder mehr Entfernungsmessern zu reflektieren. Selbst wenn kubische Eck­ reflektoren verwendet werden, müssen diese physisch voneinander getrennt sein. Es ist daher zweckmäßiger, daß die Reflektoren an verschiedenen Bezugs­ punkten angeordnet werden, wodurch man sechs separate Bezugspunkte in der oben beschriebenen Ausführungsform erhält. Der räumliche Zusammenhang zwischen diesen Bezugspunkten und der Probenspitze ist bekannt. Die Rechen­ schaltung erhält die Information, welcher Bezugspunkt von jedem Entfernungs­ messer erfaßt worden ist, um die Rechnungen richtig auszuführen.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 mit den Bezugspunkten 12 und 13 und der Sondenspitze 11, die in einer geraden Linie angeordnet sind, kann in manchen Fällen nicht in der Lage sein, Messungen innerhalb von Öffnungen oder Ausnehmungen im Werkstück 18 auszuführen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der dies möglich ist. Die Sonden­ spitze 11 erstreckt sich weg von dem Hauptteil der Sonde 10 und sie sitzt auf einem abgekröpften Arm 21, so daß sie ins Innere von Öffnungen und Aus­ nehmungen hineingeführt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit zur Bestimmung der Rotation der Sondenspitze um eine Linie, die die Bezugspunkte 12 und 13 verbindet. Eine Lichtquelle 22 ist auf einem der Träger 14 montiert und eine Verlängerung der Sonde 10 über den Bezugspunkt 12 hinaus trägt ein Nachführ-Teleskop 23. Ein Auf­ nehmer ist vorgesehen, um die Winkelposition des Teleskops 23 relativ zur Achse der Sonde 10 anzugeben und der Ausgang dieses Aufnehmers wird an die Rechenschaltung 18 gelegt.

Im Betrieb wird das Fernglas oder Teleskop 23 so bewegt, daß es immer auf die Lichtquelle 22 zeigt und der Ausgang des Aufnehmers 23 liefert den erforderlichen weiteren Eingang für den Rechner zur Bestimmung der Position der Sondenspitze 11.

Eine alternative Technik kann angewendet werden, wenn eine ausreichende Anzahl von Distanz-Meßgeräten 15 zur Verfügung steht, wobei dann ein weiterer Bezugspunkt an der Sonde 10 angeordnet wird an einem Arm, der von der Haupt­ richtung der Sonde weg ragt. Die Position dieses weiteren Bezugspunktes kann wie bei den anderen Bezugspunkten bestimmt werden, womit die Position der Sondenspitze 11 berechnet werden kann.

Wenn nur drei Gruppen von Laser-Entfernungsmessern 15 verwendet werden, gibt es Fälle, in welchen die Bahn zwischen einem der Bezugspunkte auf der Sonde 10 und einem oder mehr der Entfernungsmesser 15 durch das Arbeitsstück 18 oder durch den Roboter 15 verdeckt ist. In der Praxis ist es daher zweckmäßig, eine größere Anzahl von Trägern 14 mit Distanz-Messern 15 zu verwenden. Beispielsweise können acht oder mehr solcher Träger mit Entfernungs-Meßgeräten vorgesehen werden. Hierdurch wird das Nachführ­ system vereinfacht, welches die Ausrichtung der Entfernungsmesser steuert, denn es ist wahrscheinlich, daß mehrere richtig ausgerichtet bleiben für aufeinanderfolgende Positionen der Sonde 10, wenn diese Positionen nahe beieinanderliegen.

In der obigen Beschreibung trägt die Meß-Sonde 10 passive Reflektoren an den Bezugspunkten 12 und 13. Diese können jedoch auch beweglich relativ zur Sonde ausgebildet sein, damit die Laserstrahlung immer zu den Entfernungs­ messern zurückreflektiert wird. Andererseits kann man auch die Spiegel durch aktive Detektoren ersetzen und die Entfernungsmesser 15 durch Laser-Sender. Es kann eine Kodierung vorgenommen werden, um Interferenzen zwischen der Laserstrahlung verschiedener Sender zu verhindern.

Laserstrahlung wird vorgeschlagen wegen ihrer kurzen Wellenlänge und der dadurch möglichen hohen Meßgenauigkeit. Es können jedoch auch mit Mikro­ wellen arbeitende Entfernungsmesser in derselben Weise verwendet werden.

Die zur Bestimmung der Position der Sondenspitze 11 erforderlichen Be­ rechnungen wurden nicht im Detail beschrieben. Die Benutzung einer Drei- Seiten-Technik zur Bestimmung der Positionen eines Punktes ist an sich be­ kannt, nicht jedoch in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Nach der Bestimmung der Position der beiden Bezugspunkte ist es eine ein­ fache Sache die Position der Sondenspitze 11 zu bestimmen.

Der Roboter 16, der die Meß-Sonde 11 trägt, kann durch eine Bedienungsperson betätigt werden, beispielsweise auch durch Fernsteuerung. Die Sondenspitze ist zweckmäßigerweise federnd montiert, derart , daß eine Ablenkung der Sondenspitze beim Kontakt mit dem Werkstück die weitere Bewegung der Sonde stoppt. Eine derartige Ablenkung wird ebenfalls gemessen und damit die berechnete Position der Sondenspitze korrigiert. Verschiedene Arten von Sonden sind bekannt, die nicht mit einem physischen Kontakt zwischen der Sondenspitze und dem Werkstück arbeiten. Sonden dieser Art, z.B. die sogenannte Laser-Sonde, sind ebenfalls in Verbindung mit der erfindungs­ gemäßen Meßvorrichtung verwendbar.

Claims (6)

1. Positions-Meßvorrichtung zur dreidimensionalen Bestimmung der Position eines Punktes, der durch ein Meßvolumen relativ zu einer Gruppe von Bezugsachsen beweglich ist, gekennzeichnet durch eine Sonde mit einer Sondenspitze, welche die Position des beweglichen Punktes definiert, sowie einem ersten und einem zweiten Bezugspunkt, die einen Abstand voneinander haben und in einem festen bekannten räumlichen Zusammen­ hang zueinander und zur Sondenspitze stehen, Einrichtungen zum Bewegen der Sonde, so daß die Sondenspitze an jeden gewünschten Punkt inner­ halb des Meßvolumens gebracht werden kann, wenigstens drei Entfernungs- Meßgeräten, die wenigstens zum Teil außerhalb des Meßvolumens liegen in einer separaten festen bekannten Position relativ zu den Bezugs­ achsen und von denen jede den Abstand zwischen der festen bekannten Position und jedem der Bezugspunkte auf der Sonde bestimmt, sowie mit einer Recheneinrichtung, die auf die Signale der Entfernungsmeßgeräte anspricht und die Position der Sondenspitze relativ zu den Bezugsachsen bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ent­ fernungsmeßgerät wenigstens einen Laser-Entfernungsmesser aufweist, der an dem festen Punkt angeordnet ist, und daß jeder Bezugspunkt auf der Sonde einen oder mehr Reflektoren trägt, welche die von den Ent­ fernungsmessern kommende Strahlung zurückwirft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Nachführein­ richtung, um jeden Laser-Entfernungsmesser im Betrieb auf den ent­ sprechenden Bezugspunkt auf der Probe auszurichten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ent­ fernungsmeßgerät einen Laser-Sender aufweist, der an dem ersten Punkt angeordnet ist, und daß jeder Bezugspunkt an der Sonde einen Detektor hat, der die Laserstrahlung von jedem dieser Sender erfaßt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bewegen der Sonde einen Roboter umfaßt, der einen Gelenkarm hat, an dem die Sonde ange­ bracht ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch ein Nachführ-Teleskop, das an der Sonde derart befestigt ist, daß es um die Achse drehbar ist, die den ersten und den zweiten Bezugs­ punkt miteinander verbindet, und das seine Ausrichtung auf einen festen Punkt außerhalb des Meßvolumens beibehält, sowie durch einen Aufnehmer, der der Recheneinrichtung die Winkelposition des Teleskops um diese Achse relativ zu einer Bezugsrichtung angibt.
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