DE4420046A1 - Gerät zur Anzeige, ob ein Objekt eine bestimmte Bezugsposition einnimmt - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gerät zur Anzeige, ob ein Objekt eine bestimmte Bezugsposition einnimmt oder nicht.

Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung ein Gerät zur Anzeige, ob ein bewegliches Teil eines Roboters eine Bezugsposition einnimmt, wenn es durch ein Steuersystem in diese Position gesteuert wird. Ein solches bewegliches Teil kann beispielsweise ein Arm oder ein Funktionskopf sein, der ein Werkzeug, eine Sonde oder eine Meßeinrichtung trägt.

Ein bewegliches Teil eines computergesteuerten Roboter­ systems, das sich wiederholende Aufgaben ausführt, unterliegt oftmals einer Drift aus vorprogrammierten Positionen. Es gibt eine Anzahl möglicher Ursachen für diese Drift, beispiels­ weise mechanische Fehler wie beispielsweise Schlupf in Kupp­ lungen, lockere Riemen, Motor, Codierer, Getriebeverschleiß und Getriebeschäden, und elektronische Fehler in Codierern und Bauteilen, sowie auch mutwillige und zufällige Schäden. Das wahrscheinliche Ergebnis ist ein ungenaues Arbeiten, Nichtwiederholbarkeit von Bewegungen und in Extremfällen Schäden am Roboter oder an einem Werkstück und mögliche Sicherheitsrisiken für das Bedienungspersonal. Es ist deshalb wichtig, daß ein bewegliches Teil eines Roboters jederzeit mit Genauigkeit sich an diejenigen Stellen im Raum bewegt, die von dem den Roboter steuernden Computerprogramm bestimmt werden.

Es ist deshalb in hohem Maße wünschenswert, die räumliche Position und Orientierung eines beweglichen Teils eines Roboters zu überwachen, um festzustellen, wenn eine Drift stattfindet, und um eine zufällige Kollision des beweglichen Teils mit dem Roboter oder anderen Objekten festzustellen.

Da Industrieroboter gewöhnlich einen vorgegebenen Zyklus von Instruktionen durchführen, ist es oftmals zweckmäßig, die räumliche Position eines bestimmten beweglichen Teils des Roboters zu überwachen, wenn der Roboter sich an einer vor­ gegebenen Stelle innerhalb seines Zyklus (gewöhnlich am Zyk­ lusbeginn) befindet.

Ein herkömmliches System zur Überwachung der räumlichen Position eines Gegenstands wie beispielsweise eines Roboter­ funktionskopfes ist in den anliegenden schematischen Fig. 1A und 1B gezeigt, wobei Fig. 1A eine Seitenansicht mit einem Laserstrahlsender 10, der an einem feststehenden Ständer 12 montiert ist, einem an einem Roboterarm montierten Funktions­ kopf 14, einer an dem Ständer montierten Fotozelle 16, und einem Meßgerät 18 zum Anzeigen eines von der Fotozelle er­ zeugten Signal darstellt, und wobei Fig. 1B den Funktionskopf des Roboters mehr im einzelnen zeigt.

Der Roboterarm-Funktionskopf 14 weist einen Kopfblock 20 auf, in welchem ein Kollimatortunnel 22, durch welchen einfallen­ des Licht auf einen Spiegel 24 innerhalb des Blocks auftrifft, und ein Austrittstunnel 26 gebildet ist, um vom Spiegel reflektiertes Licht wieder aus dem Block austreten zu lassen.

Im Betrieb, wenn der Roboter sich an einem bestimmten Punkt während seines Betriebszyklus befindet, sendet der Laser­ strahlsender 10 einen Laserstrahl 28 in vorgegebener Richtung zum Funktionskopf 14 hin. Der Kollimatortunnel 22, der Spie­ gel 24 und der Austrittstunnel 26 sind so angeordnet, daß nur dann, wenn der vom Roboterarm getragene Funktionskopf 14 sich in einer vorgegebenen räumlichen Position und Orientierung befindet, der Laserstrahl 28 vom Sender 10 durch den Kolli­ matortunnel 22 auf den Spiegel 24 auftreffen und als Strahl 28A durch den Austrittstunnel 26 auf die Fotozelle 16 gelan­ gen und dadurch ein Signal erzeugen kann, das über eine ent­ sprechende Schaltung auf dem Meßgerät 18 angezeigt wird. Das Signal am Meßgerät zeigt das Ausgangssignal der Fotozelle 16 und ermöglicht das Einstellen der Ausrüstung. Eine weitere Schaltung ermöglicht einen Vergleich dieses Signals mit einem benutzerseitig definierbaren Bezugssignal, um Positionsaus­ gangssignale in Form eines Logikpegels "gut" oder "schlecht" zu ermöglichen. Das Signal zeigt deshalb an, daß der Funk­ tionskopf 14 sich an dem speziellen Punkt des Roboterzyklus in der verlangten Position und Orientierung befindet. Umge­ kehrt zeigt das Fehlen des Signals, wenn der Laserstrahl an dem betreffenden Punkt des Roboterzyklus ausgesendet wird, daß der Funktionskopf 14 und folglich auch der Roboterarm sich nicht in der geforderten Position oder Orientierung be­ findet und daß Fehlerkorrekturmaßnahmen ergriffen werden sollten.

Obwohl das oben beschriebene System für die meisten Zwecke zufriedenstellend ist, zeigt eine theoretische Analyse mög­ licher Fehler im optischem Pfad des Systems, daß es unter manchen Umständen möglich ist, daß sich Drehwinkel- und Positionsfehler des Funktionskopfes so kombinieren, daß ein unannehmbar großer Gesamtfehler entsteht. Eine Möglichkeit der Verringerung dieses Gesamtfehlers ist eine beträchtliche Vergrößerung der Länge des Kollimatortunnels 22. Dies führt aber zu einem massigen System, das wiederum die Funktion des Roboters behindern kann.

Jedoch ist dieses System zu unempfindlich gegen Drehwinkel- und gegen Positionsfehler entlang des optischen Pfads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Über­ wachung der räumlichen Position und Orientierung eines Ob­ jekts wie beispielsweise eines Funktionskopfes eines Roboter­ arms zu schaffen, bei welchem der kombinierte positionsmäßige und drehwinkelmäßige Fehler wesentlich verringert ist und ein verringertes Verhältnis der Empfindlichkeiten für Drehwinkel­ fehler und positionsmäßige Fehler im Vergleich zu dem oben beschriebenen System vorhanden ist.

In allgemeinster Form ausgedrückt, überwacht die vorliegende Erfindung die räumliche Position und Orientierung eines Objekts durch Verwendung zweier Laserstrahlen, die von zwei verschiedenen, auf dem Objekt angeordneten und relativ zuein­ ander feststehenden reflektierenden Oberflächen reflektiert werden, und beide reflektierten Laserstrahlen müssen auf entsprechende Fotozellen auftreffen, um anzuzeigen, daß das Objekt sich in der richtigen räumlichen Position und Orien­ tierung befindet.

Gemäß der Erfindung ist also ein Gerät vorgesehen, wie es im Anspruch 1 angegeben ist.

Gemäß einer ersteh Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zur Erzeugung der Lichtstrahlen Laserlichtquellen, die unabhängig von dem Objekt ortsfest montiert sind, und die Re­ flektormittel weisen mindestens zwei zueinander abgewinkelte reflektierende Oberflächen auf.

Vorzugsweise sind die beiden unter einem Winkel zueinander verlaufenden reflektierenden Flächen derart zueinander win­ kelorientiert, daß, wenn das Objekt sich in der Bezugs­ position befindet, mindestens ein Laserstrahl von einer reflektierenden Fläche unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zu dem zugeordneten Detektor reflektiert und der andere Laserstrahl zurück zu dem zugeordneten Detektor in unmittel­ barer Nähe der Laserlichtquelle reflektiert wird.

Alternativ dazu können zwei zueinander abgewinkelt ver­ laufende reflektierende Flächen relativ zueinander so po­ sitioniert und winkelorientiert sein, daß beide Laserstrahlen unter einem Winkel von etwa 45° in entgegengesetzten Richtun­ gen reflektiert werden.

Die Lichtquelle zur Erzeugung der zwei kollimierten Licht­ strahlen ist vorzugsweise eine einzige Laserlichtquelle in Verbindung mit einer Blendenplatte.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtquelle zur Erzeugung der zwei kollimierten Lichtstrahlen an dem Objekt selbst im Zusammenwirken mit mindestens zwei ebenfalls an dem Objekt montierten Kollimatoren angeordnet.

Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung ist das Objekt vorzugsweise ein Funktionskopf eines Roboterarms.

Die Erfindung wird nachstehend lediglich beispielsweise unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 6 der anliegenden schema­ tischen und nicht maßstäblichen Zeichnungen erläutert, in denen zeigt:

Fig. 1A eine Seitenansicht eines her­ kömmlichen Systems, wie oben be­ schrieben,

Fig. 1B eine Detailansicht eines Teils des Systems in Fig. 1A,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Geräts nach der Erfindung zur Anzeige, ob ein Roboterfunktionskopf eine bestimmte Bezugsposition ein­ nimmt,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Halb­ leiter-Laserdiodenquelle und einer Blendenplatten als Strahl­ teiler,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer dritten Aus­ führungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer elek­ tronischen Schaltung für das Gerät nach der Erfindung und

Fig. 6 eine Darstellung der Auswirkung von Fehlern auf die Strahlposi­ tionen relativ zu den Detektoren bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Geräts.

Es wird nun zunächst auf die Ausführungsform nach Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist ein starres Tragteil 30 dargestellt, das beispielsweise ein am Boden montierter Ständer 31 sein kann, oder es kann sich um einen Teil eines starren Rahmens oder um eine Wand handeln.

An dem Tragteil 30 ist eine Laserdiode 32 mit einer Stromver­ sorgung 34 angebracht. Die Laserdiode 32 erzeugt einen Laser­ strahl 48, der zu einer allgemein mit 36 bezeichneten räum­ lichen Stelle gerichtet ist, wobei es sich um eine bestimmte programmierte Position innerhalb eines Bewegungsablaufs eines Objekts wie beispielsweise eines Funktionskopfes 38 eine com­ putergesteuerten Roboterarms 40 handelt.

An dem Tragteil 30 unmittelbar neben der Laserdiode 32 ist außerdem eine erste Fotozelle 42 angeordnet, die ebenfalls auf die genannte räumliche Stelle 36 gerichtet ist, so daß die Sichtlinie von der Fotozelle 42 zu dieser Stelle sehr stark angenähert parallel zu der Sichtlinie von der Laser­ diode zu dieser Stelle ist.

In ähnlicher Weise, jedoch mit Abstand von der Laserdiode 32, ist am Tragteil 30 eine zweite Fotozelle 44 angebracht, die ebenfalls zu der räumlichen Stelle 36 hin gerichtet ist. Der Abstand der Fotozelle 44 von der Laserdiode 32 ist so groß, daß die Sichtlinie von der Fotozelle 44 zur Stelle 36 etwa unter rechtem Winkel zu der Sichtlinie von der Laserdiode zu dieser Stelle verläuft.

Eine Blendenplatte 46 ist mit Bezug auf die Laserdiode 32 und auf die Sichtlinie von dieser aus zu der Stelle 36 fest­ stehend angeordnet und dient zum Aufteilen des Laserstrahls 48 der Laserdiode in zwei erste und zweite parallele Laser­ strahlen 50, 52.

Am Funktionskopf 38 ist ein einziger Reflektor mit zwei Facetten (bzw. reflektierenden Flächen) 54, 56 montiert, die einen Winkel miteinander bilden. Wenn, und nur wenn der Funk­ tionskopf 18 sich an der Stelle 36 und in seiner korrekten räumlichen Orientierung befindet, reflektiert die Spiegel­ fläche 54 den ersten Laserteilstrahl 50 als reflektierter Strahl 50A auf die erste Fotozelle 42, und die Spiegelfläche 56 reflektiert gleichzeitig den zweiten Laserteilstrahl 52 als reflektierter Strahl 52A auf die zweite Fotozelle 44.

Die Ausgangssignale der Fotozellen 42 und 44 gelangen über elektrische Signalleitungen 60, 62 zu einer Logikschaltung, die schematisch dargestellt und mit 58 bezeichnet ist und später noch mit Bezug auf Fig. 5 mehr im einzelnen be­ schrieben wird. Die Logikschaltung 58 ist so ausgelegt, daß sie die Ausgangssignale der Fotozellen 42, 44 über die Leitungen 60, 62 nur gleichzeitig empfangen kann. Sie erzeugt dann ein Ausgangssignal 59, das anzeigt, daß der Funktions­ kopf sich sowohl korrekt an der räumlichen Stelle 36 als auch in seiner korrekten räumlichen Orientierung befindet.

Die Geometrie des oben beschriebenen optischen Systems stellt sicher, daß die von den Spiegelflächen 54, 56 auf die Foto­ zellen 42, 44 reflektierten Laserstrahlen 50A, 52A möglichst genau einen Winkel von 90° einschließen. Dies stellt sicher, daß Bewegungen des Funktionskopfes 38 längs der Achse des Laserstrahls 48 leicht nachgewiesen werden können. Jedoch kann es unter manchen Umständen schwierig sein, das System so auszulegen, da die Fotozelle 42 sehr nahe an der Laserdiode angeordnet werden muß, damit der reflektierte Laserstrahl 50A von der Spiegelfläche 54 durch die Blendenplatte 46 zurück­ fallen kann.

Ein bevorzugtes optisches System nach der Erfindung ist sche­ matisch in Fig. 3 dargestellt, wobei mit der Anordnung nach Fig. 2 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen sind. Bei dieser Anordnung sind die als Laserstrahlde­ tektor dienenden Fotozellen 42, 44 mit gleichen Abständen beiderseits der als Laserstrahlquelle dienenden Laserdiode 32 an den starren Tragteil 30 montiert. Bei der Laserstrahlquel­ le handelt es sich um eine 1-m-W-Halbleiter-Laserdiode, die einen Laserstrahl 48 aussendet, der durch ein Fenster in der Diode selbst mit einem im wesentlichen elliptischen Leucht­ querschnitt austritt. Unmittelbar vorderhalb des Fensters ist eine Strahlformungsplatte 33 angeordnet, die eine Schlitz­ blende enthält. Beim anfänglichen Ausrichten des Geräts wird die Laserdiode nun so gedreht, daß die Hauptachse der leuch­ tenden Ellipse der Laserdiode mit der längeren Abmessung der Schlitzblende fluchtet.

Das distale Ende des Funktionskopfes 38 trägt einen Reflek­ torkörper 37 mit zwei miteinander einen Winkel bildenden po­ lierten Facetten, welche die reflektierenden Flächen 54, 56 bilden. Diese Facetten bilden zusammen einen Scheitel mit ei­ nem eingeschlossenen Winkel von 135°, der zur Laserquelle 32 hin zeigt. Eine kurze Distanz vorderhalb dieses Reflek­ torblocks 37 ist ein Strahlteiler 39 positioniert. Dieser besteht aus einer Platte, in welcher zwei kreisrunde Blenden gebildet sind, deren Durchmesser und Abstand kompatibel mit den Abmessungen der Durchlaßblende in der Strahlformerplatte 33 sind. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Strahlformerblende als Schlitz von 5 mm × 1,5 mm mit halb­ kreisförmigen Enden ausgebildet, während die Strahlteiler­ platte mit zwei kreisförmigen Blenden von jeweils 1,5 mm Durchmesser mit einem gegenseitigen Mittenabstand von 3,5 mm ausgebildet sind. Während der anfänglichen Einstellung werden die Strahlteilerblenden mit der strahlformenden Schlitzblende fluchtend ausgerichtet, wobei die beiden Laserteilstrahlen 50, 52 symmetrisch auf die reflektierenden Flächen 54 bzw. 56 auftreffen und zu den Fotodetektoren 42, 44 zurückreflektiert werden.

Die Laserdiode 32, der Strahlformer 33 und die Fotodetektoren 42, 44 sind alle mit Bezug zueinander feststehend angeordnet, und die Reflektorflächen 54, 56 und der Strahlteiler 39 sind in gleicher Weise ebenfalls mit Bezug zueinander feststehend angeordnet, aber sind bezüglich der Laserdiode und des Strahlformers beweglich. Bei diesen Gegebenheiten können Ver­ änderungen im Strahlenpfad der reflektierten Strahlen 50A, 52A aufgrund von Fehlern in der Position des Funktionskopfes 38 leicht wahrgenommen werden. In der Praxis ist diese Anord­ nung gegen Verschiebefehler und Drehwinkelfehler E1 bis E7 um alle 6 zueinander senkrechten Achsen empfindlich. Wenn der Funktionskopf 38 sich in seiner vorgegebenen Bezugsposition 30 bzw. innerhalb eines sehr kleinen Fehlerbereichs um diese Bezugsposition befindet, treffen die reflektierten Strahlen 50A und 52A auf die betreffenden Fotodetektoren 44, 42 und beleuchten diese. Bei zunehmender Fehlerdistanz wird ein fortschreitend kleinerer Teil der reflektierten Strahlen auf die Dektektoren auftreffen bzw. die Teilstrahlen 50, 52 werden durch Fluchtungsfehler des Strahlformers 33 und des Strahlteilers 39 mit Bezug zueinander blockiert. Der Bereich möglicher Fehlerwirkungen ist in Fig. 6 dargestellt.

Die Empfindlichkeit des Systems hinsichtlich der optischen Fluchtung wird durch die relativen Größen der Strahlformer- und Strahlteilerblenden und außerdem durch den Querschnitt der Laserteilstrahlen 50A, 52A relativ zum lichtaufnehmenden Bereich der Detektoren 42, 44 bestimmt. Einen weiteren Einfluß stellt die in der Länge der Lichtpfade begründete optische Übersetzung dar, insbesondere der Abstand zwischen der Laserquelle und dem Reflektorblock, der vorzugsweise auf etwa 50 mm bis 70 mm begrenzt sein sollte.

Der Unterschied zwischen dem alternativen optischen System nach Fig. 3 und demjenigen nach Fig. 2 liegt, wie schon gesagt, darin, daß die am starren Tragteil 30 angeordneten Fotozellen 42, 44 beide mit gleichen Abständen beiderseits der Laserdiode 32 angeordnet sind, so daß die Laserstrahlen 50, 52 zu den Fotozellen als reflektierte Strahlen 50A, 52A jeweils unter einem Winkel von 45° zur Achse der Laserdiode zurückreflektiert werden. Obwohl diese Anordnung weniger em­ pfindlich für den Nachweis von Fehlerbewegungen des Funk­ tionskopfes 38 entlang der Achse des ausgesendeten Laser­ strahls 48 ist als die Anordnung nach Fig. 2, ist sie leichter einzustellen.

Ein drittes optisches System nach der Erfindung ist schema­ tisch in Fig. 4 dargestellt, wobei gleiche Elemente wie in den Fig. 2 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In diesem Fall ist jedoch die Laserquelle nicht am Tragteil 30 montiert, sondern statt dessen in einen Kollimatorblock 64 eingebaut, der am Funktionsblock 38 selbst montiert und sche­ matisch durch das Element 66 dargestellt ist. Der Kollimator­ block 64 ist mit zueinander rechtwinkligen ersten und zweiten Kollimatoren 68, 70 versehen, obwohl im Rahmen des Erfin­ dungsgedankens auch mit anderen Winkeln gearbeitet werden kann, und die Laserquelle 66 ist an oder nahe dem Schnitt­ punkt der Achsen der Kollimatoren 68, 70 angeordnet.

Die Laserquelle 66 kann eine einzige Laserdiode sein, und es können Mittel wie beispielsweise ein Prisma oder Spiegel 74 vorgesehen sein, um den Primärlaserstrahl in zwei Strahlen 76, 78 aufzuteilen, die entlang jedes Kollimators 68, 70 gerichtet werden. Alternativ dazu kann die Laserquelle 66 durch zwei Laserdioden gebildet sein, die jeweils entlang eines zugeordneten Kollimators 68, 70 orientiert sein können, oder die Laserquelle kann vom Kollimatorblock 64 getrennt angeordnet sein und einen oder mehrere Laserstrahlen über optische Fasern zum Kollimatorblock leiten.

Die Kollimatoren 68, 70 im Kollimatorblock 64 und die Foto­ zellen 42, 44 bilden miteinander einen Winkel und sind rela­ tiv zueinander so angeordnet, daß, wenn, und nur wenn der Funktionskopf sich an seiner vorgegebenen räumlichen Stelle 36 und in seiner korrekten Orientierung befindet, die Foto­ zellen gleichzeitig Signale über die Strahlen 76, 78 von der Laserquelle 66 innerhalb des Kollimatorblocks aufnehmen.

Obwohl die Ausführungsform nach Fig. 4 den offensichtlichen Nachteil zu haben scheint, daß eine am Ende eines Roboterarms montierte Laserquelle montiert ist, mit dem sich daraus erge­ benden Nachteil, daß Stromzuführungen oder optische Fasern durch den Roboterarm hindurchgeführt oder daran befestigt werden müssen, kann es Gelegenheiten geben, wo diese Anord­ nung trotzdem gegenüber einer außerhalb des Roboters ange­ ordneten Laserquelle zu bevorzugen ist.

Die Fotozellen 42, 44 bei sämtlichen oben erörterten Ausfüh­ rungsformen nach der Erfindung sind vorzugsweise am Tragteil 30 in solcher Weise montiert, daß ihre Positionen und Winkel mit Bezug zueinander leicht in zwei orthogonalen Richtungen einstellbar und arretierbar sind. Dadurch kann jede Richtung unabhängig für den bestmöglichen Empfang eines auftreffenden Laserstrahls abgestimmt werden, bis für beide Richtungen gleichzeitig ein Maximum erreicht worden ist.

Die nur als Block dargestellte Logigschaltung 58 in Fig. 5 arbeitet mit kontinuierlicher Spannungsabtastung für jede Fotozelle 42, 44. Diese Spannungsabtastung und ein benutzervariabler Bezugspegel sind durch drei Analogmeßgeräte angedeutet. Wenn die Spannung an einer der Fotozellen unter den Bezugspegel abfällt, wird eine Fehlermeldung erzeugt.

Der Block 58 beinhaltet eine elektronische Schaltung, welche die beiden Fotozellenausgangssignale diskriminiert und ein digitales "Gut-" oder ein Fehlersignal erzeugt.

Der Block 58 und die Laserdiode 32 werden von einer geregelten 9-Volt-Gleichstromquelle gespeist, die auch eine 12-Volt-Gleichstromversorgung zur Speisung einer Xenon-Blink­ leuchte 72 liefert.

Die Spannung von jeder Fotozelle 42, 44 wird durch einen invertierenden Verstärker getrennt verstärkt und diskrimi­ niert, da ein Addieren der beiden Spannungen und ein Diskriminieren ihrer Summe insoweit ein Problem darstellen könnte, als es bei Einstellung der Bezugsspannung auf einen niedrigen Pegel möglich wäre, daß eine Fotozelle vollständig beleuchtet wird, während die andere dunkel bleibt, und die dann ermittelte Gesamtbeleuchtung immer noch für eine "gut"- Meldung ausreichen würde.

Die Fotozellen 42, 44 haben die gleiche Empfindlichkeitsre­ gelung, die auch als Spannungsteiler für die Speisespannung dient. Ein Spannungserhöher dient zur Vergrößerung der Ver­ stärkung der Fotozellenverstärker. Dies ist nützlich, wenn kleine Strahlen verwendet werden oder wenn eine höhere Em­ pfindlichkeit verlangt wird.

Um die Möglichkeit eines rauschenden oder eines flatternden Signals auszuschließen, wenn ein Roboter sich an der Grenze seiner zulässigen Position befindet, werden Schmitt-Trigger als Diskriminatoren verwendet. Diese haben zwei voreinge­ stellte Pegel, die beide durch die Eingangsspannung durch­ quert werden müssen, um eine Zustandsänderung zu bewirken.

Die Ausgänge der beiden Schmitt-Trigger sind mit einem NOR- Glied verbunden, das nur dann auf den Ein-Zustand schaltet, wenn beide Eingangssignale im Aus-Zustand sind. Dies dient als "gut"-Signal, da die invertierenden Fotozellenverstärker bei voller Beleuchtung eine niedrige Spannung und im Dunkel­ zustand eine hohe Spannung abgeben. Das "gut"-Signal wird ebenfalls invertiert (unter Verwendung eines NOR-Glieds mit einem Falsch-Eingang), um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das gut "-Signal und das Fehlersignal dienen zur Beleuchtung einer grünen bzw. einer roten lichtaussendenden Diode. Das "gut"-Signal betätigt außerdem über einen Leistungstransistor ein Relais, welches eine "Falsch"- Ausgangsverbindung unter­ bricht und eine "Gut"- Ausgangsverbindung herstellt. Dadurch kann der Block 58 unter Verwendung irgendeiner Spannungsver­ sorgung mit weiterer Schaltung verbunden sein.

Die Schaltung weist zwei mögliche Eingänge mit jeweils 24 Volt Gleichspannung auf, die zur Betätigung von Relais zum Umsetzen der Signale auf 5 Volt dienen. Ein Eingang schaltet die Xenon-Blinklampe 72 (über ein weiteres Relais und einen Leistungstransistor) ein, und der andere Eingang schaltet die Laserdiode und die Xenon-Blinklampe ein.

Für eine Positionsprüfung hoher Genauigkeit wird ein inten­ siver, schmaler Lichtstrahl mit geringer Divergenz bevorzugt, und eine Laserlichtquelle wird als eine ideale und leicht verfügbare Lichtquelle betrachtet. Aus dem Gesichtspunkt der Sicherheit haben sich Laser der Klasse I oder Klasse II nach British-Standards BS 7192 (1989) als technisch brauchbar, sicher und leicht einsetzbar erwiesen.

Insbesondere ist eine Halbleiter-Laserdiode kompakt und hat vorteilhafte Strahleigenschaften. Die Feldnatur des ab­ gehenden Lichtstrahls hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Eine Laserquelle dieser Art mit 11 mm Durchmesser und 40 mm Länge sendete einen Strahl von etwa 6 mm Durch­ messer aus. In der Praxis weist der Strahl einen hellen Mittelbereich mit etwa 2 mm Breite zwischen parallelen Rand­ zonen auf, so daß das Strahlquerschnittsprofil als grob elliptisch beschrieben werden kann. Dies hat sich in Ver­ bindung mit der Strahlteiler-Blendenplatte als ideal er­ wiesen, beispielsweise bei der in Fig. 3 dargestellten Aus­ führungsform zur Erzeugung der gewünschten parallelen Strahlen 50A, 52A mit geringer Divergenz.

Was die Fotoempfindlichkeit der Detektoren 42, 44 betrifft, sollten die Fotozellen jeweils einen kleinen Empfangsbereich haben, der in etwa die gleiche Größe wie der auftreffende Laserstrahl hat, um eine genaue Fehlererfassung und ein An­ sprechen auf den auftreffenden Strahl ohne übermäßige Beein­ flussung durch Umgebungslicht zu ermöglichen. Der obere Teil der Fig. 6 zeigt (der Klarheit halber nur schematisch) einen Laserstrahl mit rechteckigem Profil, der auf eine kreisför­ mige Fotozelle auftrifft. Aus der Auslegung der Ausführungs­ beispiele nach den Fig. 2, 3 und 4 ist ersichtlich, daß die Fotozellen ziemlich weit auseinanderliegen, aber aus Gründen kompakter Darstellung sind sie in Fig. 6 enger beieinander­ liegend in durch gestrichelte Linien verbundenen Paaren dargestellt.

Die oberste Darstellung in Fig. 6 zeigt beide Lichtstrahlen mit perfekter Ausrichtung auf die zugehörigen Fotozellen auf­ treffend. Dieser Fall tritt nur dann ein, wenn der Reflektor 38 und daher auch der ganze Roboterarm genau die Bezugspo­ sition einnimmt. Wie jedoch eingangs erläutert worden ist, kann der Roboterarm aus seiner Bezugsposition ausgelenkt sein, und es ist deshalb notwendig, festzustellen, ob ein nur unbedeutender oder ob ein größerer Fehler vorliegt. Im we­ sentlichen gibt es einen kreisförmigen Fehlerbereich um jede Fotozelle herum, der noch toleriert werden kann. Dies ent­ spricht einem Beleuchtungsschwellenwert, oberhalb dessen der Fehler unbedeutend ist, aber unterhalb dessen der Roboter außer Betrieb gesetzt werden muß, bis eine Korrektur vorge­ nommen worden ist. Der Schwellenwert kann elektronisch variiert werden, indem ein Diskriminierungspegel innerhalb der Elektronikschaltung 58 verändert wird. Der Schwellenwert­ bereich muß natürlich bei einem Beleuchtungspegel deutlich oberhalb der Umgebungslichtpegel beginnen, um Falschaussagen zu vermeiden. Ein typischer Beleuchtungspegel entspricht etwa 50% der Fotozellenempfangsfläche, die vom Laserstrahl be­ leuchtet wird, mit einem Variationsbereich von beispielsweise 25% bis 75%. In Fig. 3 sind die aufgelösten Komponenten mög­ licher Fehler durch Pfeile E2 bis E7 dargestellt, und die Auswirkungen dieser Fehler auf die relative Position von Laserstrahl und Detektorfotozelle bei einem 50%-Beleuchtungs­ pegel sind in Fig. 6 unter den Kopfzeilen "Fehler E2" bis "Fehler E7" dargestellt. Es ist klar, daß größere Fehler, aufgrund derer der Laserstrahl 48 den Reflektor 38 voll­ ständig verfehlt bzw. die Fotozellen 42, 44 überhaupt nicht beleuchtet werden, natürlich entsprechend erfaßt werden.

Im Betrieb läßt das normale Steuersystem des Roboters den Roboterarm periodisch in die Bezugsstellung zurückkehren. Die normalen Regelschleifen der Steuerung mit ihren Rückführungen zeigen an, wenn diese Position anscheinend erreicht ist. Das Laserpositionsprüfgerät wird sodann zur Durchführung einer unabhängigen Prüfung aktiviert, ob die Bezugsposition tat­ sächlich innerhalb der zulässigen Fehlergrenzen erreicht worden ist. Durch Anheben des Beleuchtungsschwellenpegels wird also der zulässige Positionsfehler verringert, und durch Verringerung des Beleuchtungsschwellenpegels wird der zu­ lässige Positionsfehler vergrößert.

Wenn der festgestellte Positionsfehler unter den einge­ stellten Schwellenwert fällt oder die Laserstrahlen die Fotozellen vollständig verfehlen, wird das Ausgangssignal 59 der Elektronikschaltung in ihrem entsprechenden Zustand ver­ riegelt. Dieses Signal wird vorzugsweise dazu verwendet, dem Robotersteuersystem ein Sperrsignal zuzuführen, um eine wei­ tere Betätigung des Roboters zu verhindern, bis der Posi­ tionsfehler korrigiert und das System zurückgestellt worden ist. Gleichzeitig kann das Signal 59 auch im Zusammenhang mit jeder beliebigen Einrichtung, bei welcher das Fehlerprüfgerät verwendet wird, zum Alarmieren des Bedienungspersonals dienen, um dieses zu einer Fehlerbeseitigung zu veranlassen.

Bei anderen Ausführungsformen eines Systems dieser Art wurden Fotozellen eingesetzt, die in der Lage waren, auch eine Information hinsichtlich der Art des festgestellten Fehlers zu liefern. Beispielsweise können 4-Quadranten-Fotozellen verwendet werden, um die Richtung des Laserstrahlversatzes anzuzeigen, wie aus Fig. 6 leicht erkennbar ist. Zwei-Ring- Fotozellen (oder Fotozellen mit noch mehr Ringzonen) können die Amplitude eines Fehlers, jedoch nicht seine Richtung an­ zeigen. Daraus folgt, daß kompliziertere Kombinationen von Fotozellenanordnungen eine genauere und aussagekräftigere Fehlerinformation liefern können. Diese Information könnte verwendet werden, um den Roboter automatisch in seine korrekte Null-Bezugsposition zurücksteuern. Dies würde jedoch erfordern, eine Steuerschnittstelle mit dem Roboterregelsy­ stem einzuführen. Das entsprechend der Darstellung in Fig. 3 aufgebaute System erfordert nur eine minimale Schnittstelle mit dem normalen Robotersteuersystem, d. h., um eine prak­ tische Auswirkung des Sperrsignals 59 hervorzurufen. Die beschriebenen Anordnungen können deshalb als vollständig separate und im wesentlichen unabhängige Systeme ausgeführt werden.

Bei einer Anwendung der Erfindung wurde das Gerät in einer Fertigungszelle installiert, in welcher hohe Lichtpegel herrschten, wie sie beispielsweise durch Schweißlichtbogen hervorgerufen werden können. Solche externen Lichtquellen, die möglicherweise nicht synchron mit dem beschriebenen Gerät arbeiten, könnten die Fotodetektoren nach der Erfindung so sättigen, daß sie falsche Anzeigen liefern. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist eine Modulation der Laserquelle in Kombination mit einer Demodulation der Fotodetektorausgangs­ signale, und zusätzlich kann ein schmalbandiges optisches Filter über den Fotodetektorblenden angeordnet werden.

Claims (14)

1. Gerät zum Anzeigen, ob ein Objekt eine bestimmte vorgege­ bene Bezugsposition einnimmt, mit:

• - einer Lichtquelle,
• - Mitteln zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten kolli­ mierten Lichtstrahls, die parallel zueinander und mit geringem gegenseitigem Abstand verlaufen,
• - einem ersten und einem zweiten Detektor, die mit Bezug auf die Lichtquelle ortsfest und mit gegenseitigem Abstand ange­ ordnet sind, um in unterschiedlichen Richtungen verlaufende Lichtstrahlen zu empfangen,
• - und mit an dem Objekt angeordneten Reflektormitteln, die eine erste und eine zweite Reflektorfläche aufweisen, die miteinander einen Winkel bilden und so angeordnet sind, daß, wenn das Objekt sich in der vorgegebenen räumlichen Bezugs­ position befindet, den ersten und den zweiten kollimierten Lichtstrahl zum ersten bzw. zweiten Detektor hin reflektieren.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle einen halb­ kreisförmigen Laser in Kombination mit Mitteln zum Formen des Laserstrahls aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 2, wobei die Mittel zur Formung des Lichtstrahls relativ zur Lichtquelle feststehend angeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Mittel zur Formung des Lichtstrahls eine Platte mit einer darin gebildeten strahlformenden Schlitzblende aufweisen.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mittel zur Erzeugung der beiden ersten und zweiten kollimierten Lichtstrahlen relativ zu den Reflektormitteln feststehende angeordnet sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, wobei die Mittel zur Erzeugung des ersten und des zweiten kollimierten Lichtstrahls eine Platte aufweisen, die mit zwei Blenden ausgebildet ist, die um einen dem verlangten Abstand zwischen den beiden kollimierten Lichtstrahlen entsprechenden gegenseitigen Abstand haben.

7. Gerät nach Anspruch 6, wobei die in der Blendenplatte ge­ bildeten Blenden jeweils kreisförmig sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste und die zweite reflektierende Fläche der Reflektormittel durch polierte Flächen eines von dem Objekt getragenen Metallblocks sind.

9. Gerät nach Anspruch 6, wobei die reflektierenden Flächen miteinander einen eingeschlossenen Winkel von etwa 135° bilden.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste und der zweite parallele Lichtstrahl durch die Reflektor­ mittel jeweils um etwa gleiche Winkel zu den Detektormitteln hin reflektiert werden, wenn das die Reflektormittel tragende Objekt die vorgegebene Bezugsposition einnimmt.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste und der zweite Detektor fotoempfindliche Detektorelemente mit jeweils mindestens einem lichtempfindlichen Bereich sind bzw. aufweisen.

12. Gerät nach Anspruch 11, wobei die lichtempfindlichen Be­ reiche eine wirksame Lichtaufnahmefläche haben, deren Größe im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche des ersten bzw. zweiten Lichtstrahls ist.

13. Gerät nach Anspruch 11 oder 12, wobei die fotoem­ pfindlichen Detektorelemente jeweils eine Mehrzahl licht­ empfindlicher Bereiche haben, die in regelmäßigem Muster um eine Nennposition herum angeordnet sind, um dadurch einen Versatzfehler eines einfallenden Lichtstrahls relativ zu der Nennposition anzuzeigen.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Licht­ quelle und die Detektoren an relativ feststehenden Teilen eines Robotersystems befestigt sind und die Reflektormittel von einem relativ beweglichen Roboterarm bzw. einem Roboter­ funktionskopf getragen werden.