DE4302434A1

DE4302434A1 - Verfahren zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4302434A1
Application number: DE19934302434
Authority: DE
Inventors: Hans Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2013-01-30
Also published as: DE4302434C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Relativlage zweier Bau teile nach dem Oberbegriff eines der Ansprüche 1 bis 3 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Industrierobotern ist es bekannt, am letzten zu programmierenden Glied des In dustrieroboters einen Programmiergriff anzubringen. Dieser Programmiergriff weist ein Innenteil auf, das starr mit dem vorgenannten Glied verbunden ist und das von einer Hülse umgeben wird. Zwischen dem Innenteil und der Hülse sind Federn und Sensoren angeordnet. Die Federn ermöglichen eine Bewegung der Hülse relativ zum Innenteil in drei zueinander rechtwinklig verlaufenden Achsen und relative Drehbe wegungen der Hülse um diese drei Achsen. Wird die Hülse mit der Hand geführt, dann erzeugen die Sensoren Signale entsprechend den Bewegungsrichtungen, in de nen das letzte Glied des Industrieroboters sich bewegen soll. Die Sensoren erfassen also die von Hand bewirkte Relativlage zwischen dem Innenteil und der Hülse.

Diese bekannten Programmiergriffe weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie relativ kompliziert aufgebaut sind und eine genaue Justierung der Federn und der Sensoren erforderlich ist.

Hiervon ausgehend stellt sich die Aufgabe, das Verfahren so auszubilden, daß die Relativlage zweier Bauteile berührungslos bestimmt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 3. Vor teilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verhältnisse, wenn die beiden Bauteile eine Null- oder Ausgangslage zueinander einnehmen;

Fig. 3 schematische Darstellungen der verschiedenen vorkommenden Relativlagen und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 weist das eine Bauteil eine starr mit ihm verbundene Lichtquelle 1 auf. Unterhalb dieser Lichtquelle ist ein lichtundurchlässiger Körper 2 angeordnet, der vier Bohrungen 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 aufweist. Diese vier Bohrungen verlaufen alle in Richtung der möglichst punktförmigen Lichtquelle 1. Diese Bohrungen 3 bilden die Ecken eines Pyramidenstumpfs mit quadratischer Grundfläche. Dieser lichtundurchlässige Körper 2 ist ebenfalls starr mit dem einen Bauteil verbunden. Auf diese Weise werden beim einen Bauteil vier Lichtstrahlen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 erzeugt, die pyramidenstumpfförmig verlaufen.

Das andere Bauteil weist eine Grundplatte 5 auf, welche vier Abtastfelder 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 trägt. Diese Abtastfelder bestehen bevorzugt aus PSD-Diodenfeldern.

Jeder Lichtstrahl 4 erzeugt auf einem der Diodenfelder 6 einen Lichtpunkt, also die Lichtpunkte 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4.

Für die nachfolgende Beschreibung sei angenommen, daß das andere Bauteil starr im Raum angeordnet ist, während das eine Bauteil in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse verschiebbar und zusätzlich um diese Achsen drehbar ist. Die Drehbeweglichkeit ist mit dx, dy und dz bezeichnet.

Befindet sich das eine Bauteil in seiner Nullage, d. h. es ist gegenüber dem anderen Bauteil weder verschoben noch verdreht, dann erzeugen die Lichtstrahlen 4 Licht punkte 7 in der Mitte eines jeden Diodenfeldes, die, wenn sie gedanklich miteinander verbunden werden, die Eckpunkte eines Quadrats bilden. Dies ist der Fall bei den Darstellungen in Fig. 1 und 2.

Die Diodenfelder 6 erzeugen Signale entsprechend der Lage der Lichtpunkte 7. Da mit sind also die Koordinaten der Lage der Lichtpunkte innerhalb eines Diodenfeldes bestimmbar.

Wird das eine Bauteil längs der X-Achse relativ zum anderen Bauteil verschoben, dann treten die Verhältnisse entsprechend Fig. 3.1 auf. Links sind die Verhält nisse bei einer Verschiebung nach plus x und rechts nach minus x dargestellt. Die Verhältnisse bei einer Verschiebung längs der Y-Achse zeigt die Fig. 3.2. Links erfolgt die Verschiebung nach plus y, rechts nach minus y. Die Verhältnisse bei einer Verschiebung längs der Z-Achse zeigt die Fig. 3.3. Links sind die Verhältnisse dar gestellt, wenn das eine Bauteil in Richtung des anderen Bauteils verschoben wurde und rechts, wenn die Bauteile voneinander wegbewegt wurden.

Führen die beiden Bauteile nur Relativbewegungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achsen aus, nicht jedoch Drehbewegungen um diese Achsen, dann genügen zwei Lichtpunkte, beispielsweise die Lichtpunkte 7.1 und 7.2 zur Bestimmung der Rela tivlage.

Bei einer Verschiebung längs der X-Achse verschiebt sich das von den Lichtpunkten 7 gebildete Quadrat längs dieser Achse. Bei einer Verschiebung in Y-Richtung verschiebt sich das Quadrat in dieser Richtung. In beiden Fällen bleibt die Größe des Quadrats unverändert. Bei einer Verschiebung längs der Z-Achse ändert sich die Größe des Quadrats konzentrisch. Liegen die Koordinaten der Lichtpunkte 7 vor, ist die Relativverschiebung leicht errechenbar.

Die Verhältnisse bei einer Drehung um die Y-Achse in der einen oder anderen Dreh richtung sind in Fig. 3.4 dargestellt. Die Verbindungslinien zwischen den Licht punkten bilden ein Trapez, das in Richtung der X-Achse verzerrt ist. Wird das eine Bauteil in der einen oder anderen Drehrichtung um die X-Achse gedreht, dann ent steht aus dem Quadrat wiederum ein Trapez, das in Richtung der Y-Achse verzerrt ist. Erfolgt eine Verdrehung um die Z-Achse, dann wird das von den Lichtpunkten 7 gebildete Quadrat um diese Achse in der einen oder anderen Drehrichtung gedreht.

Führen die beiden Bauteile nur Drehbewegungen relativ zueinander aus, nicht jedoch Bewegungen längs der vorgenannten Achsen, dann genügen wiederum zwei Licht punkte, wie beispielsweise die Lichtpunkte 7.1 und 7.2, um diese Drehbewegungen zu erfassen.

Um die Relativbewegungen längs der X-, Y- und Z-Achsen und um Drehbewegun gen um diese Achsen erfassen zu können, genügen drei Lichtpunkte, die ein Dreieck bilden und denen jeweils ein PSD-Diodenfeld zugeordnet ist. Der im vorgenann ten Beispiel vorhandene vierte Lichtpunkt und die Anordnung der Lichtpunkte im Quadrat erleichtert jedoch die Rechenarbeit.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Platte 9 Teil des einen Bauteils. In dieser Platte 9 sind lichtemittierende Dioden 10 angeordnet, welche die Lichtstrahlen 4 erzeugen. Das andere Bauteil ist U-förmig ausgebildet und trägt die Grundplatte 5, die ihrerseits die PSD-Diodenfelder 6 trägt. Das andere Bauteil 8 ist mit der Platte 9 über elastische Kissen 11 verbunden, die eine Verschiebung und Verdrehung der Platte 9 relativ zum Bauteil 8 in den vorgenannten Achsen zulassen. Am Bauteil 8 sind Justierschrauben 12 vorgesehen, die beim Justieren in die Platte 9 eingreifen, womit die Nullage entsprechend Fig. 2 festlegbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile, die in drei zuein ander rechtwinklig verlaufenden Achsen relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Bauteil mindestens zwei gebündelte, winkelig zueinander verlaufende Lichtstrahlen (4) erzeugt werden, die als Lichtpunkte (7) auf einer Abtasteinheit des anderen Bauteils abgebildet wer den und dort die Enden einer gedachten Verbindungsgeraden bilden und aus den Koordinaten der Lichtpunkte (7) die Relativlage der beiden Bauteile er rechnet wird.

2. Verfahren zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile, die um drei zuein ander rechtwinklig verlaufenden Achsen relativ zueinander drehbar sind, da durch gekennzeichnet, daß am einen Bauteil mindestens zwei gebündelte, winkelig zueinander verlaufende Lichtstrahlen (4) erzeugt werden, die als Lichtpunkte (7) auf einer Abtasteinheit des anderen Bauteils abgebildet wer den und dort die Enden einer gedachten Verbindungsgeraden bilden und aus den Koordinaten der Lichtpunkte (7) die Relativlage der beiden Bauteile er rechnet wird.

3. Verfahren zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile, die in drei zuein ander rechtwinklig verlaufenden Achsen relativ zueinander verschiebbar und um diese Achsen relativ zueinander drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Bauteil mindestens drei gebündelte, winkelig zueinander ver laufende Lichtstrahlen (4) erzeugt werden, die als Lichtpunkte (7) auf einer Abtasteinheit des anderen Bauteils abgebildet werden und dort die Ecken ei nes gedachten Dreiecks bilden und aus den Koordinaten der Lichtpunkte (7) die Relativlage der beiden Bauteile errechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Bauteil vier, winkelig zueinander verlaufende Lichtstrahlen (4) erzeugt werden, deren Lichtpunkte (7) in Nullage der beiden Bauteile die Ecken eines gedachten Quadrats bilden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen (4) in Richtung des anderen Bauteils divergieren.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtstrahlen (4) lichtemittierende Dioden (10) in das eine Bauteil eingebaut sind.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Bauteil eine Lichtquelle (1) angeordnet ist und dieses eine Bauteil zwischen der Lichtquelle (1) und dem anderen Bauteil einen lichtundurchlässigen Körper (2) trägt, der für jeden Lichtstrahl (4) eine Bohrung (3) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinheit für jeden Lichtpunkt (7) ein Abtastfeld (6) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfel der (6) jeweils aus PSD-Diodenfeldern bestehen.