DE4302434C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile - Google Patents

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.

Der Gegenstand des Oberbegriffs des Anspruches 1 ist der DE 36 31 395 A1 ent­ nehmbar. Dort werden am einen Bauteil drei winkelig zueinander verlaufende kon­ vergierende Lichtstrahlen erzeugt, die drei Lichtpunkte auf einer PSD-Abtasteinheit am anderen Bauteil ergeben. Damit aus der Lage der Lichtpunkte die Relativlage der beiden Bauteile errechenbar ist, müssen die drei Lichtstrahlen an einem gemein­ samen Kreuzungspunkt zusammentreffen. Nachteilig ist hierbei, daß die Meßgenau­ igkeit beeinträchtigt ist, da die Lichtstrahlen in Richtung der Abtasteinheit konver­ gieren. Die Koordinaten der drei Lichtpunkte werden durch nur eine Abtasteinheit abgetastet, was Zeit beansprucht. Die Berechnung der Relativlage der beiden Bau­ teile aufgrund eines gedachten Dreiecks ist kompliziert und benötigt eine nicht uner­ hebliche Rechnerkapazität. Sind die Lichtquellen nicht exakt so justiert, daß ihre Lichtstrahlen sich am Kreuzungspunkt kreuzen, treten Fehlmessungen auf.

Nach der DE 33 14 089 C2 sind am einen Bauteil drei Lichtquellen angeordnet, deren Lichtstrahlen rechtwinklig zueinander verlaufen. Diese Lichtstrahlen treffen auf je ein Abtastfeld am anderen Bauteil auf, wobei die drei Abtastfelder eben­ falls rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Bei dieser Vorrichtung kann wohl die Abtastgeschwindigkeit erhöht werden, mit der die Abtastfelder abgetastet wer­ den, jedoch sind im wesentlichen die gleichen Nachteile wie bei der vorgenannten Vorrichtung vorhanden.

Es besteht die Aufgabe, die Vorrichtung so zu verbessern, daß eine rasche, sichere und genaue Relativlagenbestimmung möglich ist.

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 zeigen:

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 und 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 (4)

1. Vorrichtung 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, wobei am einen Bauteil mehrere gebündelte, winkelig zueinander verlaufende Lichtstrahlen erzeugt werden, die als Lichtpunkte auf einer Abtasteinheit des anderen Bauteils abgebildet wer­ den und aus den Koordinaten der Lichtpunkte die Relativlage der beiden Bau­ teile errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Bauteil vier, in Richtung des anderen Bauteils divergierende Lichtstrahlen (4) erzeugt werden, deren Lichtpunkte (7) in Nullage der beiden Bauteile die Ecken eines gedach­ ten Quadrats bilden, die Abtasteinheit für jeden Lichtpunkt (7) ein Abtastfeld (6) aufweist, die Abtastfelder (6) in einer Ebene liegen und in der Nullage die Lichtpunkte (7) sich in der Mitte eines jeden Abtastfelds (6) befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtstrahlen (4) lichtemittierende Dioden (10) in das eine Bauteil einge­ baut sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am ei­ nen 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 eine Bohrung (3) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfelder (6) jeweils aus PSD-Diodenfeldern bestehen.