DE4409530A1 - Berührungslos arbeitende Meßeinrichtung für sechs Freiheitsgrade und Verwendung zur Bestimmung des zweidimensional definierten Ortes eines Meßkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungslos arbeitende Meßeinrichtung zur Ermittlung der Lage eines Meßkörpers rela­ tiv zu einem Referenzkörper aus Meßsignalen.

In vielen technischen und wissenschaftlichen Bereichen muß die Position eines Körpers relativ zu einem Bezugssystem in sechs Freiheitsgraden erfaßt werden. Dies ist bei mehrachsigen NC-Maschinen und Robotern genauso der Fall wie bei der Vermes­ sung von Bauteilen oder beim Steuern. In einem Teil dieser An­ wendungen muß die Lageinformation nur in einem kleinen Teilge­ biet vorliegen, z. B. wenn man an eine Abtastnadel denkt, oder an einen Steuergriff, der für eine 3D-Steuerung in sechs Frei­ heitsgraden auslenkbar sein soll. Der Erfindung liegt die Auf­ gabe zugrunde, eine berührungslos arbeitende Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher auf einfa­ che und zuverlässige Weise eine Lagemessung in sechs Frei­ heitsgraden ermöglicht ist. Die neue Meßeinrichtung soll die Durchführung eines dreidimensionalen wie eines zweidimensio­ nalen Meßverfahrens implizieren.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. - Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 ange­ geben.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der berüh­ rungslosen Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 zur Be­ stimmung des zweidimensional definierten Ortes eines Meßkör­ pers, wie im Anspruch 4 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen des Gegenstandes des Anspruchs 4 sind in den Ansprüchen 5 bis 11 enthalten. Die Erfindung beruht auf der zweidimensiona­ len Lagemessung der Durchstoßpunkte dreier Achsen durch drei Meßebenen. Dazu wird aus drei Achsen, die im Idealfall zueinander orthogonal im Raum angeordnet sind, ein Dreibein gebildet. Die Lage dieses Dreibeins in einem kartesischen Koordinatensystem (Bezugssystem) kann exakt bestimmt werden, wenn die Durchstoßpunkte der Achsen durch drei in einem bekannten Abstand zum Kreuzungspunkt befindliche und zu den Achsen orthogonale Ebenen bestimmt werden. Wobei die Ebenen im Bezugssystem vollständig definiert sind und die Durchstoßpunkte in den jeweiligen Ebenenkoordinaten bestimmt werden.

In der hier beschriebenen Erfindung werden die Ebenen durch ein zweites Dreibein, welches aus die Achsen umgebenden Rohren besteht, gebildet, indem ein orthogonaler Querschnitt durch die Rohre einen Ausschnitt der Meßebenen markiert. Die Lage des Achsendreibeins relativ zu dem Rohrdreibein wird gemessen, indem bei allen drei Schenkeln der zweidimensionale Abstand der Achsen zu den Rohren in den zu den Achsen orthogonalen Ebenen berührungslos gemessen wird. Die Ebene befindet sich in einem geeigneten Abstand vom Kreuzungspunkt der drei Achsen. Die Entfernungsmessung erfolgt dabei mit Hilfe einer berührungslosen, zweidimensionalen Meßanordnung, die zum Beispiel aus 4 in einer radialen Ebene angeordneten, jeweils um 90 Grad versetzten, radial nach außen messenden Reflexlichtschranken besteht. Wenn der umgebende Körper aus einem diffus reflektierenden Material besteht, ist die reflektierte, gemessene Lichtmenge abhängig vom Abstand des Reflektors zur Lichtschranke. Die Meßergebnisse zweier gegenüberliegender Lichtschranken werden zur gegenseitigen Korrektur und Empfangbereicherweiterung verwendet. Es kommen aber auch andere berührungslose Verfahren (induktive Messung, kapazitive Messung) in Frage. Die Form des Rohres muß bei der Auswertung berücksichtigt werden. Dies kann über eine Eichmessung oder eine einfache rechnerische Korrektur erfolgen. Die Größe der Anordnung ist frei skalierbar und nur vom gewünschten Meßbereich oder der Reichweite der berührungslosen Verfahren abhängig. Aus den drei zweidimensionalen Meßwerten kann mit einer einfachen Transformationsmatrix die Lage des Achsendreibeins relativ zum Rohrdreibein in sechs Freiheitsgraden errechnet werden. Im Regelfall wird man also eines der Dreibeine als Bezugssystem ortsfest lassen, während das andere dazu beweglich zur Erfassung der Lage dient.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert.

In der Prinzipanordnung der Fig. 1 wird aus drei feststehenden Achsen (1), (2), (3) der Meßkörper gebildet. In einem bestimmten Abstand befinden sich auf jeder Achse die berührungslosen Entfernungsmeßeinrichtungen (4), (5), (6), die den Abstand zu drei die Achsen umgebenden, miteinander verbundenen Röhren (7), (8), (9) messen. In einer realisierten Meßanordnung, Fig. 2, wird im Schnitt die Funktion deutlich. Die drei miteinander verbundenen Röhren (7-9) sind mit Federelementen 10.1-10.6 mit den Achsen verbunden. Wenn sich die Lage des Röhrenkörpers zu dem Achsenkörper verändert, ändert sich der Abstand der drei Achsen zu den Röhren in den Meßebenen. Diese Lage wird durch die berührungslose Meßanordnung (4-6) gemessen. Aus den drei 2D-Meßkoordinaten der Arme wird in einem Microprozessor ein sechsdimensionaler Vektor berechnet, der die translatorische und rotatorische Lageänderung der zwei Körper zueinander widerspiegelt.

In Fig. 1 bedeuten noch: I, II, III die drei Meßebenen, S den Ursprung des Achsendreibeins 1, 2, 3 bzw. den Schnittpunkt seiner drei Schenkel, RK den Referenzkörper, der durch ein das Achsen­ dreibein 1, 2, 3 umgebendes Rohrdreibein 7, 8, 9 gebildet wird, MK den Meßkörper insgesamt, bestehend aus den je einer Koordinaten­ richtung x, y, z zugeordneten Teilmeßkörpern mk1, mk2, mk3. a1, a2, a3 sind die Abstände der Meßebenen I, II, III vom Ur­ sprung S. Eine der Entfernungsmeßeinrichtungen 4, 5, 6 wird weiter unten noch erläutert. Achsendreibein 1, 2, 3 und Rohrdreibein 7, 8, 9 bilden zusammen die Meßschenkel 1-7, 2-8, 3-9. Die Ent­ fernungsmeßeinrichtung ist als Ganzes mit EM bezeichnet, im einzelnen mit 4, 5, 6. Der Meßkörper MK, mk1-mk3 umfaßt das Achsendreibein 1, 2, 3 und die zugeordnete Entfernungsmeßeinrich­ tung EM, 4, 5, 6. - In der Darstellung nach Fig. 2 kann die Meßeinrichtung nach der Erfindung z. B. Bestandteil eines Steuer­ griffs sein, mit welchem z. B. nach dem Master-Slave-Prinzip ein Roboter gesteuert wird.

In Fig. 3 und 4 ist die Verwendung der geschilderten Meßeinrich­ tung zur Bestimmung des zweidimensional definierten Ortes eines Meßkörpers dargestellt, und zwar in Fig. 3 in einer Axialansicht, in Fig. 4 in perspektivischer Darstellung.

Bevor auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4, welches zugleich eine Detail-Darstellung zu den Entfernungsmeßeinrichtungen 4, 5, 6 nach Fig. 1 und 2 bildet, näher eingegangen wird, zunächst einige allgemeinere Ausführungen und Erläuterungen.

Bei vielen technischen Geräten muß die Position einer Achse oder eines Teiles in einer Ebene bestimmt werden. Beispiele für sol­ che Aufgaben sind die Messung der Auslenkung eines Steuergriffs, der Auslenkung einer gefederten Achse, oder eines anderen Teiles. Bisherige Meßverfahren greifen dabei in der Regel auf berührende Meßelemente zurück, zum Beispiel Potentiometer, oder auf teure berührungslose Verfahren. Die hier beschriebene Erfindung stellt ein einfaches, variables, preiswertes Verfahren zur Messung des zweidimensionalen Ortes eines Körpers zur Verfügung. Dazu werden vier einfache Entfernungssensoren, zum Beispiel Reflexlichtschranken so auf einem Sensorträger (=Achse) angebracht, daß sie jeweils um 90 Grad versetzt auf einer gedachten Kreislinie um den Sensorträger radial nach außen messen. Diesem Meßkörper wird ein Referenzkörper in Form mehrerer zusammengeschlossener Meßflächen, idealerweise in Form eines Ringes mit größerem Durchmesser, entgegengestellt, zu denen die Entfernungssensoren die Entfernung messen. Man erhält also zwei Meßergebnisse je Koordinate aus gegenüberliegenden Sensoren. Diese Ergebnisse werden zu einer Korrektur und Normierung verwendet. Dadurch können auch mit einfachen und ungenauen Entfernungssensoren gute Meßergebnisse erzielt werden, insbesondere können damit die nichtlinearen Kennlinien vieler einfacher Entfernungssensoren ausgeglichen werden, indem der eine Sensor eine kurze Entfernung mißt, wenn der andere eine weite Entfernung mißt, d. h. ein Sensor befindet sich immer in einem steilen Kennlinienbereich mit guter Auflösung. Bei einer anderen Anzahl von Entfernungssensor, insbesondere bei einer ungeradzahligen Anzahl (z. B. 3) sind diese Korrekturen ebenfalls möglich, erfordern jedoch eine komplexere Berechnung. Bei nur zwei im 90 Grad Winkel angeordneten Entfernungssensoren ist immer noch eine vollständige Messung möglich, bei schlechteren Genauigkeitsergebnissen. Als Entfernungssensoren kommt eine Vielzahl einfacher, preiswerter Elemente in Frage, wobei sich einzelnen technische Details dann unterscheiden. Besonders geeignet sind Entfernungsreflexlichtsensoren. Diese senden einen infraroten Lichtstrahl aus und messen die Intensität des diffus von einer Oberfläche zurückgestreuten Lichts. Die Intensität des gemessenen Lichtes hängt von der Entfernung der Oberfläche ab (1/r hoch 2). Als Material für den Referenzring zu dem die Entfernung gemessen wird empfiehlt sich ein gut diffus reflektierender Kunststoff. Die Kreisform ist für viele Anwendungen optimal, es können aber auch Vielecke verwendet werden. Die Rückwirkung der einzelnen Meßsensoren zueinander ist gering. Kapazitive Entfernungssensoren können in ähnlicher Weise eingesetzt werden. selbstverständlich ist auch eine Umkehrung des Aufbaus möglich, indem die Sensoren am äußeren Ring, nach innen messend angebracht werden, und der Referenzring sich innen befindet. Aus Störunterdrückungsgründen ist es in der Regel jedoch günstiger von innen nach außen zu messen. Eine Ausnahme bilden induktive Entfernungssensoren, mit denen sehr gute Meßergebnisse erzielt werden können wenn vier Sensoren von außen zu einer metallischen Achse messen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 bedeutet mk einen Meßkörper, wie er in Fig. 1 und 2 im Prinzip dargestellt ist, bestehend aus einem Meßarm 1′, bestückt an seinem äußeren Umfang mit vier, paarweise diametral gegenüberliegenden Ent­ fernungssensoren 11.1-11.2, 11.3-11.4, welche im Beispiel Infrarotsender und -empfänger sind, welche die Lichtkegel 12.1 bis 12.4 senden bzw. - nach einer Laufzeitdifferenz, die proportional der Entfernung ist - empfangen. Der vorzugsweise ringförmige Referenzkörper 7′ weist im Strahlenkegel der Sen­ soren 11.1-11.4 liegende Meßflächen F1-F4 auf. Als Sen­ soren 11.1-11.4 können u. U. auch Ultraschallsender- und -empfänger bzw. entsprechende Sensorköpfe verwendet werden. Die zweidimensionale Messung wird in Fig. 3 durch die x, y-Koordinaten verdeutlicht.

Gemäß Fig. 1 und 2 werden mehrere solcher zweidimensionalen Messungen zu einer 3D-Messung verarbeitet.

Die Federelemente 10.1-10.4 nach Fig. 2 können beim Beispiel nach Fig. 3 und 4 sinngemäß Anwendung finden. Sie dienen hauptsächlich zur Rückstellung auf den Nullpunkt, wenn keine äußeren Kräfte angreifen. Sie können mit Dämpfungseinrichtun­ gen kombiniert werden, um die Meßeinrichtung resistenter ge­ genüber Erschütterungen zu machen.

Claims (11)

1. Berührungslos arbeitende Meßeinrichtung zur Ermittlung der Lage eines Meßkörpers relativ zu einem Referenzkörper aus Meß­ signalen, gekennzeichnet durch von drei jeweils zweidimensional messenden Meßschenkeln (1-7, 2-8, 3-9) abgeleitete Meßsignale, durch einen Meßkörper (MK), der ein Achsendreibein (1, 2, 3) aufweist, und durch einen Referenzkörper (RK), der durch ein das Achsendreibein (1, 2, 3) umgebendes Rohrdreibein (7, 8, 9) gebildet wird, ferner ge­ kennzeichnet durch eine dem Achsendreibein (1, 2, 3) zugeordnete berührungslose Entfernungsmeßeinrichtung (EM; 4, 5, 6), die für jeden Meßschenkel (1-7, 2-8, 3-9) den zwei­ dimensionalen bzw. 2D-Abstand zwischen den inneren Achsen (1, 2, 3) und den umgebenden Rohren (7, 8, 9) in einer zu den Ach­ sen (1, 2, 3) orthogonalen Ebene (I, II, III), die sich in einem bestimmten Abstand (a1, a2, a3) zum Schnittpunkt (S) der Achsen (1, 2, 3) befindet, mißt und aus den drei 2D-Meßergebnissen ei­ ne Lageinformation des Meßkörpers (MK) bezüglich des Referenz­ körpers (RK) in sechs Freiheitsgraden bestimmt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Achsendreibein (1, 2, 3) und das Rohrdreibein (7, 8, 9) durch elastische Elemente (10.1-10.6) miteinander verbunden sind.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie in einem für einen mensch­ lichen Bediener geeigneten Griff untergebracht ist und die Meßsignale zur 3D-Steuerung verwendet werden.

4. Verwendung der berührungslosen Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Bestimmung des zweidimensional de­ finierten Ortes eines Meßkörpers (mk) innerhalb eines Refe­ renzkörpers (7′), indem der Meßkörper (mk) einen Meßschenkel (1′) als Sensorträger aufweist, auf dessen Oberfläche vier in einer radialen Ebene (x-y) angeordnete, jeweils um 90° ver­ setzte, berührungslose, eindimensionale Entfernungssensoren (11.1-11.4) so angebracht sind, daß sie radial nach außen messen, und zwar in bezug auf einen außen liegenden, insbeson­ dere ringförmigen Referenzkörper (7′), der aus vier fest mit­ einander verbundenen Meßflächen (F1-F4) gebildet wird, wobei die Meßergebnisse der zwei paarweise einander gegenüberliegen­ den Entfernungssensoren (11.1-11.2 bzw. 11.3-11.4) zu einer gegenseitigen Korrektur verwendet werden.

5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßkörper (mk) und der Referenzkör­ per (7′) in der Weise vertauscht werden, daß der Sensorträger (1′) sich außen befindet und der Referenzkörper (7′) innen, wobei die Entfernungssensoren (11.1-11.4) von außen nach innen messen.

6. Verwendung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Meßkörper (mk) und/oder Referenz­ körper (7′) durch Ringe oder Vielecke gebildet werden.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Entfernungssensorpaare (11.1-11.2, 11.3-11.4) oder eine unge­ rade Anzahl von mehr als einem Entfernungssensor verwendet werden bzw. wird, wobei die Korrektur durch vektorielle Be­ rechnung erfolgt.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Entfernungs­ sensoren durch Reflexlichtschranken gebildet werden und der Referenzkörper (7′) aus einem geeigneten, diffus reflektie­ renden Material besteht.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Entfernungs­ sensoren (11.1-11.4) durch kapazitive Entfernungssensoren gebildet werden und der Referenzkörper (7′) aus einem für die kapazitive Messung geeigneten Material besteht.

10. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Entfer­ nungssensoren (11.1-11.4) induktive Sensoren sind und der Referenzkörper (7′) aus Metall besteht.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß Meßkörper (mk) und Referenzkörper (7′) durch elastische Elemente, insbe­ sondere Federelemente, miteinander verbunden sind.