DE3710068C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Bewegungs- und Positionierungsgenauigkeit eines Maschinenteiles mit einem Laser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 2.

Als Maschinenteil der vorstehend genannten Art kommt beispielsweise ein Industrieroboter und dort insbesondere dessen Werkzeugspitze in Frage, worauf bei der nachfolgenden Darstellung stellvertretend Bezug genommen wird, ohne daß dadurch eine Einschränkung der Erfindung in ihrer Anwendbarkeit auf Maschinenteile beliebiger Art gegeben sein soll.

Industrieroboter als gegebenenfalls freiprogrammierbare Handhabungs-, Bearbeitungs- und Fertigungsgeräte finden in immer größerem Ausmaße in automatisierten Fertigungsanlagen und zur Ausführung gesundheitsschädlicher Arbeiten Verwendung. Dabei steigen die Anforderungen hinsichtlich der Arbeitsgenauigkeit der Roboter ständig sowohl bezüglich von der Werkzeugspitze bzw. dem Greifer anzusteuernder Position als auch bezüglich der Bahngenauigkeit bei Bewegungen der Werkzeugspitze bzw. des Greifers.

Wesentliche Einflußfaktoren hierbei sind die jeweilige Ausladung des die Werkzeugspitze bzw. den Greifer tragenden Armes des Roboters in Abhängigkeit vom Eigengewicht sowie dem Gewicht des bewegten Werkstückes und damit einhergehende Durchbiegung des Roboterarmes sowie das gegenseitige Spiel der beweglich miteinander verbundenen Roboterteile. Diese Einflußfaktoren bewirken, daß auch bei noch so genauer Programmierung die gewünschten Bahnen nicht eingehalten bzw. die gewünschten Positionen nicht exakt erreicht werden.

Durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art, wie sie insbesondere durch die US-PS 42 27 169 bekannt ist, ist bereits die Möglichkeit gegeben, auch Verdrehungen der Werkzeugspitze (des Maschinenteiles) um die beiden senkrecht zur Richtung des Laserstrahles gelegenen Koordinatenachsen wertmäßig zu ermitteln und dem Rechner zuzuführen, womit sich auch Änderungen der Positionierung der Werkzeugspitze während der Bewegung entlang der durch den Laserstrahl gegebenen Waren erfassen lassen. Dabei ergeben sich je nach Abweichungen der Meßkopfachse von der Übereinstimmung mit der Lage und/oder Richtung des Laserstrahles die den beiden senkrecht zur Richtung des Laserstrahles gelegenen Koordinatenachsen zugeordneten Werte sowie die Drehwinkel um die Koordinatenachsen aufgrund bekannter geometrischer Gesetzmäßigkeiten aus den an den beiden Detektoren anstehenden unterschiedlichen Signalen unter Berücksichtigung des unterrschiedlichen Abstandes der Fotodetektoren gegenüber dem Strahlteiler.

Darüber hinaus besteht jedoch keine Möglichkeit, solche Meßwerte zu erfassen, die sich in Längsrichtung des Laserstrahles ergeben oder mit einer Drehung umd die Längsrichtung des Laserstrahls zusammenhängen, so daß insoweit bisher nur eine unvollständige Aussage über die Frage der Bewegungs- und Positionierungsgenauigkeit eines Maschinenteiles möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art derart weiter auszubilden, daß auch die in Längsrichtung des Laserstrahls sich ergebenden Meßwerte sowie die sich mit einer Drehung um die Längsrichtung des Laserstrahls ergebenden Meßwerte schnell für unterschiedliche Belastungen erfaßbar sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß alternativ gelöst durch die Merkmale, wie sie sich aus den Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 2 ergeben.

Durch die US-PS 38 16 000 ist es zwar bekannt, einen Rollwinkel zu erfassen, wobei auch zwei zueinander parallele Laserstrahlen Verwendung finden. Dies jedoch im Zusammenhang damit, bei einem Flugzeug verschiedene Meßgeräte im Zuge ihrer Installation miteinander fluchtend auszurichten, wodurch sowohl von der Anwendung als auch von der Problemstellung her kein Zusammenhang mit dem Gegenstand der Erfindung besteht.

Dies gilt erst recht für den Gegenstand der DE-OS 34 08 437, bei dem es lediglich darum geht, aus verschiedenen Lichtquellen und damit unterschiedlichen Richtungen kommende Lichtstrahlen durch Verwendung hinsichtlich der Amplitude modulierten Lichtes voneinander zu unterscheiden.

Schließlich ist es durch die DE-OS 34 01 900 bekannt, im Strahlengang eines Lasers einen Strahlteiler zur Aufteilung des Laserstrahls für die Durchführung einer interferometrischen Mengenmessung anzuordnen mit Parallelreflektion der abgeteilten Strahlmenge und deren Verarbeitung in einer Empfangs- und Signaleinheit. Auch hiermit ist jedoch nur ein Teilaspekt der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik angesprochen.

Demgegenüber ist durch die kennzeichnenden Merkmale der jeweiligen erfindungsgemäßen Aufgabenlösungen das Ziel erreicht, eine Einrichtung der eingangs als bekannt vorausgesetzten Art so weiter auszubilden, daß sie gleichzeitig auch in Längsrichtung des Laserstrahles sich ergebende Meßwerte sowie zusätzlich die sich mit einer Drehung um die Längsrichtung des Laserstrahles ergebenden Meßwerte erfaßt, so daß sich insgesamt die Bewegungs- und Positionierungsgenauigkeit eines Maschinenteiles bezüglich sämtlicher Freiheitsgrade gleichzeitig schnell und in automatisierten Bewegungsabläufen entlang dem Laserstrahl für unterschiedliche Belastungen ermitteln läßt. Trotzdem ist ohne Schwierigkeiten und besonderen Zeitaufwand durch entsprechende Orientierungsänderung des Laserstrahls die Zahl von Bahnen herstellbar, die zur Erfassung des von der Werkzeugspitze bestrichenen Raumes erforderlich ist.

Als zweckmäßig und vorteilhaft haben sich die Maßnahmen nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 3 bis 7 erwiesen. Dabei liefern die Merkmale nach den Ansprüchen 3 und 4 insbesondere die Möglichkeit, eine Vergrößerung des Meßbereiches trotz der flächenmäßigen Begrenzung der positionsempfindlichen Fotodetektoren vorzunehmen, wobei durch das optische System infolge Orientierungsänderungen der Werkzeugspitze sich ergebende Strahlablenkungen, die den Eindruck einer an sich jedoch nicht vorhandenen Abweichung von der Bahn erwecken, im Rechner korrigiert werden können, da ja durch den zweiten Fotodetektor solche Abweichungen von der Orientierung festgestellt und nach Größe und Richtung bekannt sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsformen näher erläutert, die auf der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 die vereinfachte Darstellung eines Aufbaues für die erfindungsgemäße Einrichtung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Meßkopfes in teilweise geöffnetem und aufgebrochenem Zustand;

Fig. 3 die Draufsicht auf den Meßkopf gemäß Fig. 2 mit Strahlengang;

Fig. 4 eine prinzipielle Schaltungsanordnung für die Einrichtung;

Fig. 5 einige typische sich ergebende Meßwertabläufe;

Fig. 6 die Darstellung einer Schaltungsanordnung mit Rollwinkelmessung in der Darstellungsweise gemäß Fig. 4;

Fig. 7 eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6 in der Darstellung gemäß Fig. 4 und

Fig. 8 eine Prinzipskizze.

Fig. 1 zeigt einen mit Hilfe eines Rechners programmsteuerbaren Industrieroboter 1 mit einem beweglichen Roboterarm 2 und von diesem endständig getragener Werkzeugspitze 3 in Form eines Greifers, der einen Meßkopf 4 trägt. Der Meßkopf 4 ist mit seiner Lichteintrittsöffnung 5 auf eine geradlinige Bahn 6 ausgerichtet, die durch den Strahl eines He-Ne-Lasers 7 gebildet ist und sich parallel zur Z-Achse des dargestellten kartesischen Koordinatensystems mit den weiteren Achsen X und Y erstreckt.

Durch die entsprechende Programmierung des Roboters 1 wird der Meßkopf 4 mit seiner Lichteintrittsöffnung 5 zwischen den Endpunkten P ₀ und P ₁ entlang der Bahn 6 geführt, wobei in einer den Werten in Z-Richtung zugeordneten Weise Bewegungsabweichungen des Meßkopfes 4 von der Bahn 6 in Richtung der Koordinaten X und Y sowie Orientierungsabweichungen bezüglich dieser Achsen erfaßt und in Form elektrischer Signale einem Rechner zur Signalverarbeitung zugeführt werden.

Hierzu dient der aus den Fig. 2 und 3 näher ersichtliche Aufbau des wesentlichen Teiles des Meßkopfes 4. Dieser weist ein Gehäuse 10 auf, in das der Laserstrahl 6 bezogen auf die Zeichnung von links eintrifft, um von einem Strahlteiler 11 etwa derart aufgeteilt zu werden, daß nur etwa 5% des Lichtes seinen Weg geradlinig fortsetzt, während 95% der Strahlmenge rechtwinklig abgelenkt und auf einen Tripelspiegel 12 geworfen werden, von wo aus sie in parallel versetzter Form reflektiert den Weg 13 zurück zum Laser 7 nehmen und dort von einer nicht näher dargestellten, weil bekannten Empfangs- und Signaleinheit zur interferometrischen Ermittlung der Position des Meßkopfes 4 in Z- Richtung abgenommen werden. Diese Empfangs- und Signaleinheit gibt, wie aus Fig. 4 ersichtlich, ihre Signale auf einen Adapter 14, von wo sie nach Umwandlung in ein geeignetes Datenformat auf einen Rechner 15 zur Signalverarbeitung gehen.

Der vom Strahlteiler 11 aus geradlinig weitergehende Strahlteil 16 passiert ein Interferenzfilter 17 sowie ein auswechselbares optisches System 18 zur Vergrößerung des Meßbereiches in X- und Y-Richtung, um danach auf einen weiteren Strahlteiler 19 zu treffen. Dieser läßt die Hälfte des Lichtstrahles geradlinig durch auf einen positionsempfindlichen Photodetektor 20, während die andere Hälfte des Lichtstrahles rechtwinkelig abgelenkt auf einen positionsempfindlichen Photodetektor 21 fällt, dessen Abstand gegenüber dem Strahlteiler 19 von dem des Photodetektors 20 gegenüber dem Strahlteiler abweicht, wie dies Fig. 3 zeigt.

Wie besonders aus Fig. 4 ersichtlich, sind den Ausgängen des Detektors 20 ein Verstärker 22 und den Ausgängen des Detektors 21 ein Verstärker 23 zugeordnet, an die sich Dividierer 24 und 25 für die Signale anschließen, die dann ihrerseits mit dem Rechner 15 verbunden sind.

Fig. 5 zeigt einige typische Kurven der Abweichung des Meßkopfes 4 von der Bahn 6 bei seiner kontinuierlichen Bewegung von P ₀ bis P ₁ wobei jeweils über Z aufgetragen das Bild 30 die an dem Detektor 20 ermittelte Abweichung in X-Richtung, das Bild 31 die an dem Detektor 20 ermittelte Abweichung in Y-Richtung, das Bild 32 die horizontale Abweichung an dem Detektor 21, also die Drehung des Meßkopfes 4 um die Y-Achse, und das Bild 32 die vertikale Abweichung am Detektor 21, also die Drehung des Meßkopfes um die X-Achse veranschaulicht, wobei die Ungleichmäßigkeit der Meßwertverläufe die sprunghafte Überwindung von Bewegungswiderständen infolge Reibung der bewegten Teile des Roboters veranschaulichen.

Um nun zusätzlich zu den anhand Fig. 5 ersichtlichen Abweichungen auch noch eine Verdrehung des Meßkopfes 4 um die Z-Achse, also um die durch den Laserstrahl 6 repräsentierte Achse zu ermitteln, geschieht dies in der Weise, die anhand der Fig. 6 veranschaulicht ist, deren bereits anhand der Fig. 4 beschriebenen Teile mit den dort verwendeten Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal näher beschrieben sind. Gemäß Fig. 6 wird von einem Laser 34 ein weiterer, zum Strahl 6 paralleler Lichtstrahl 35 ausgesendet, der unmittelbar auf einen Photodetektor 36 trifft, welcher neben dem Photodetektor 20 angeordnet und in vergleichbarer Weise über einen Verstärker 37 und einen Dividierer 38 mit dem Rechner 15 verbunden ist. Die gegenseitige Verlagerung der durch die Laserstrahlen 6 bzw. 35 auf den Photodetektor 20 bzw. 36 erzeugten Lichtflecken ergibt bei entsprechender Verarbeitung durch den Rechner 15 eine Aussage über die Verlagerung des Meßkopfes bzw. der Werkzeugspitze um die zu den Laserstrahlen 6 bzw. 35 parallele Z-Achse.

Eine Variante hierzu zeigt Fig. 7, durch die verdeutlicht werden soll, daß auch im Laserstrahl 35 eine aus Interferenzfilter 39 und optischem System 40 bestehende Einheit angeordnet sein kann. Ferner soll Fig. 7 zeigen, daß die Anordnung aus Strahlteiler 11 und Tripelspiegel 12 anstatt im Wege des Laserstrahles 6 genauso gut im Wege des Laserstrahles 35 angeordnet werden kann.

Eine weitere Variante, die sich zeichnerisch nicht besonders darstellen läßt, kann bezüglich der Verdrehung des Meßkopfes 4 um die Z-Achse darin bestehen, daß zwei unmittelbar nebeneinander und zueinander parallel ausgesendete Laserstrahlen verwendet werden, die gegenseitig amplitudenmoduliert sind, wobei dann - bezogen auf Fig. 4 - die Signale der auf dem positionsempfindlichen Photodetektor 20 erzeugten Lichtflecken in der Modulationsfrequenz auf unterschiedliche Eingänge des Rechners geschaltet werden und dort bezüglich der genannten Drehung um die Z-Achse in entsprechende gegenseitige Beziehung gebracht werden.

Wie ersichtlich, ist es mit der beschriebenen Einrichtung leicht und in vollautomatischer Weise möglich, die Abweichungen der Bewegung der Werkzeugspitze 3 des Armes 2 eines Industrieroboters 1 von einer vorgegebenen Bahn 6 unter im einzelnen nicht dargestellter Anbringung verschieden großer Last zu ermitteln und aufzuzeichnen. Die erhaltenen Werte sind von hoher Genauigkeit, wobei je nach den Bedingungen des Einzelfalles der erforderliche Meßbereich durch einfaches Auswechseln des optischen Systems 18 angepaßt werden kann.

Um schließlich anhand eines einfachen Beispieles die Ermittlung der Werke für X und Y sowie der Drehwinkel um diese Achsen zu erläutern, sei auf die Skizze gem. Fig. 8 hingewiesen, bei der zur klaren Darstellung der Photodetektor 21 um 90° entlang dem bogenförmigen Pfeil in die zum Photodetektor 20 parallele Lage geschwenkt und dort gestrichelt dargestellt ist.

Ist ein Laserstrahl I parallel zur Z-Achse des Gerätegehäuses 10, so sind die Werte in der X-Ebene an den Photodetektoren 20 und 21 die Größen X ₁ und X ₂, die in diesem Falle gleich sind. Geht man von einer Referenzebene B aus (die im übrigen frei wählbar ist), die parallel zum Photodetektor 20 auf der Mitte der Abstände der Photodetektoren zum Strahlteiler 19 liegt, so ergibt sich die Abweichung in X-Richtung zu

Ist ein Laserstrahl II um einen Winkel α geneigt zur Z-Achse des Gerätegehäuses als Anzeige für eine Drehung des Meßkopfes um die Y-Achse, so ergibt sich der Drehwinkel aus

wobei d die Differenz des Abstandes der Photodetektoren gegenüber dem Strahlteiler ist.

In diesem Falle ergibt sich andererseits die Abweichung in X-Richtung zu

Entsprechende Verhältnisse ergeben sich für die Y-Ebene und einen dortigen, nicht dargestellten Winkel β. Normalerweise treten natürlich sowohl Abweichungen in X- und Y-Richtung als auch Schwenkwinkel α und β auf. Findet entsprechend den Ausführungsbeispielen ein optisches System Verwendung, so ist es lediglich erforderlich, dessen charakteristische Eigenschaften zusätzlich rechnerisch zu berücksichtigen.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Messen der Bewegungs- und Positionierungsgenauigkeit eines Maschinenteiles mit einem Laser, dessen Strahl den Arbeitsraum des Maschinenteils durchquert, und einem mit dem Maschinenteil verbundenen Meßkopf mit einem ersten, im Weg des Laserstrahles angeordneten positionsempfindlichen Fotodetektor, einem dem ersten Fotodetektor im Meßkopf vorgeordneten Strahlleiter für die Aufteilung des Laserstrahls und die Ablenkung der abgeteilten Strahlmenge in eine vom Laserstrahl abweichende Richtung sowie einem dem Strahlteiler im Meßkopf nachgeordneten zweiten positionsempfindlichen Fotodetektor im Weg der abgeteilten Strahlmenge, wobei die Fotodetektoren gegenüber dem Strahlteiler einen unterschiedlichen Abstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlteiler (19) im Meßkopf (4) ein zweiter Strahlteiler (11) für die Aufteilung des Laserstrahls (6) und die Ablenkung der abgeteilten Strahlmenge in eine vom Laserstrahl abweichende Richtung vorgeordnet ist, daß dem zweiten Strahlteiler nachgeordnet im Meßkopf ein optisches Element (12) zur Parallelreflektion der abgeteilten Strahlmenge angeordnet ist, daß der Laser (7) eine Empfangs- und Signaleinheit für die abgeteilte und parallelreflektierte Strahlmenge zur interferometrischen Bestimmung des Abstandes zwischen Laser und Meßkopf bzw. Mschinenteil (3) mit Hilfe des Rechners (15) aufweist, daß ein wenigstens einen zweiten zum ersten parallelen Laserstrahl emittierendes System Verwendung findet, daß neben wenigstens einem der Fotodetektoren (29) ein weiterer Fotodetektor für den zweiten Laserstrahl angeordnet ist, und daß die positionsabhängigen Signale der Fotodetektoren gegebenenfalls nach Verstärkung (23) einem Rechner (15) zur Berechnung des Rollwinkels des Maschinenteiles zuführbar sind.

2. Einrichtung zum Messen der Bewegungs- und Positionierungsgenauigkeit eines Maschinenteiles mit einem Laser, dessen Strahl den Arbeitsraum des Maschinenteils durchquert, und einem mit dem Maschinenteil verbundenen Meßkopf mit einem ersten, im Weg des Laserstrahls angeordneten, positionsempfindlichen Fotodetektor, einem dem ersten Fotodetektor im Meßkopf vorgeordneten Strahlteiler für die Aufteilung des Laserstrahls und die Ablenkung der abgeteilten Strahlmenge in eine vom Laserstrahl abweichende Richtung sowie einem dem Strahlteiler im Meßkopf nachgeordneten zweiten positionsempfindlichen Fotodetektor im Weg der abgeteilten Strahlmenge, wobei die Fotodetektoren gegenüber dem Strahlteiler einen unterschiedlichen Abstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlteiler (19) im Meßkopf (4) ein zweiter Strahlteiler (11) für die Aufteilung des Laserstrahles (6) und die Ablenkung der abgeteilten Strahlmenge in eine vom Laserstrahl abweichende Richtung vorgeordnet ist, daß dem zweiten Strahlteiler nachgeordnet im Meßkopf ein optisches Element (12) zur Parallelreflektion der abgeteilten Strahlmenge angeordnet ist, daß der Laser (7) eine Empfangs- und Signaleinheit für die abgeteilte und parallelreflektierte Strahlmenge zur interferometrischen Bestimmung des Abstandes zwischen Laser und Meßkopf bzw. Maschinenteil (3) mit Hilfe des Rechners (15) aufweist, daß ein wenigstens einen zweiten zum ersten parallelen Laserstrahl emittierendes System Verwendung findet, daß die Laserstrahlen amplitudenmoduliert sind, daß die positionsabhängigen Signale der Fotodetektoren gegebenenfalls nach Verstärkung (23) einem Rechner (15) zur Signalverarbeitung zuführbar sind, und daß wenigstens einer der Fotodetektoren (20, 21) zur Berechnung des Rollwinkels des Maschinenteiles in der Modulationsfrequenz auf unterschiedliche Eingänge des Rechners (15) schaltbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlteiler (19) im Meßkopf (4) gegebenenfalls über ein Interferenzfilter (17) ein optisches System (18) zur Veränderung des Meßbereiches der Fotodetektoren (20, 21) vorgeschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (18) auswechselbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den zweiten Strahlteiler (11) mehr als 50%, vorzugsweise etwa 95% des Laserstrahls (6) auf das optische Element (12) ablenkbar sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeteilte Strahlmenge in eine zum Laserstrahl (6) senkrechte Richtung abgelenkt ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodetektoren (20, 21) senkrecht zum zugeordneten Laserstrahl angeordnet sind.