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Diese
Erfindung betrifft ein Gerät
zur Anzeige, ob ein Objekt eine bestimmte Bezugsposition einnimmt
oder nicht.
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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.
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Ein
bewegliches Teil eines computergesteuerten Robotersystems, das sich
wiederholende Aufgaben ausführt,
unterliegt oftmals einer Drift aus vorprogrammierten Positionen.
Es gibt eine Anzahl möglicher
Ursachen für
diese Drift, beispielsweise mechanische Fehler wie beispielsweise
Schlupf in Kupplungen, 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.
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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.
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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 vorgegebenen Stelle innerhalb seines
Zyklus (gewöhnlich
am Zyklusbeginn) befindet.
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Ein
herkömmliches
System zur Überwachung
der räumlichen
Position eines Gegenstands wie beispielsweise eines Roboterfunktionskopfes, wie
es aus der
GB 2 238
611 A bekannt ist, ist in den anliegenden schematischen
1A und
1B dargestellt,
wobei
1A eine Seitenansicht mit einem
Laserstrahlsender
10, der an einem feststehenden Ständer
12 montiert
ist, einem an einem Roboterarm montierten Funktionskopf
14,
einer an dem Ständer
montierten Fotozelle
16, und einem Messgerät
18 zum
Anzeigen eines von der Fotozelle erzeugten Signal darstellt, und
wobei
1B den Funktionskopf des Roboters
mehr im einzelnen zeigt.
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Der
Roboterarm-Funktionskopf 14 weist einen Kopfblock 20 auf,
in welchem ein Kollimatortunnel 22, durch welchen einfallendes
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.
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Im
Betrieb, wenn der Roboter sich an einem bestimmten Punkt während seines
Betriebszyklus befindet, sendet der Laserstrahlsender 10 einen
Laserstrahl 28 in vorgegebener Richtung zum Funktionskopf 14 hin.
Der Kollimatortunnel 22, der Spiegel 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 Kollimatortunnel 22 auf den
Spiegel 24 auftreffen und als Strahl 28A durch
den Austrittstunnel 26 auf die Fotozelle 16 gelangen
und dadurch ein Signal erzeugen kann, das über eine entsprechende 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 Positionsausgangssignale in Form eines Logikpegels "gut" oder "schlecht" zu ermöglichen.
Das Signal zeigt deshalb an, dass der Funktionskopf 14 sich an
dem speziellen Punkt des Roboterzyklus in der verlangten Position
und Orientierung befindet. Umgekehrt 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 befindet und dass Fehlerkorrekturmaßnahmen ergriffen werden sollten.
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Obwohl
das oben beschriebene System für die
meisten Zwecke zufriedenstellend ist, zeigt eine theoretische Analyse
möglicher
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.
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Jedoch
ist dieses System zu unempfindlich gegen Drehwinkel- und gegen Positionsfehler
entlang des optischen Pfads.
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Weiter
ist es aus der
SU 1
359 670 A1 bekannt, Licht von einer Lichtquelle durch eine
kollimierende Linse in Gestalt eines parallel gerichteten Lichtbündels auf
einen Reflektor zu werfen, der sich an einem beweglichen Objekt
befindet und dessen Reflektorflächen
durch die hinteren Begrenzungsflächen
zweier Rhomboidprismen gebildet sind. Dabei findet sich das Objekt
im Brennpunkt der Kollimationslinse und ist nur insoweit beweglich,
als es eine an seinem festen Ort veränderliche Drehposition haben
kann. Bei dieser Anordnung werden die äußeren Bereiche des parallelen
Lichtbündels
an der Rückfläche des
jeweiligen Rhomboidprismas erst zur Rückfläche des anderen Rhomboidprismas
und dann dort wiederum reflektiert und durch die Kollimationslinse zurückgeworfen,
um bei der bestimmten Drehposition des Objekts dann auf zwei beabstandete
Detektoren aufzutreffen.
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Aus
der
US 3 888 362 ist
ein Manipulatorarm bekannt, an dem ein Sensor mit einem Fotodetektor angeordnet
ist, und an einem Ziel, wohin der Manipulatorarm geführt werden
soll, ist ein Reflektor vorgesehen. Eine Linse im Sensor fokussiert
ein vom Reflektor am Ziel reflektiertes Bild einer lichtemittierenden
Diode. Eine Lichtquelle ist unmittelbar vor dem Sensor positioniert
und wird also am Manipulatorarm mitgeführt. Bei dieser Anordnung stellt
das Ziel, das den Bezugspunkt verkörpert, keine bestimmte räumliche
Bezugsposition dar, die im Raum feststeht, sondern es bildet lediglich
einen relativen Bezugspunkt, der den Versatz zwischen dem Manipulatorarm
und dem vorgesehenen Ziel definiert.
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Aus
der
EP 0 238 195 A1 ist
ebenfalls ein relatives Positioniersystem bekannt, bei welchem Lichtquellen
auf einer Montageplatte eines Manipulators neben einem Fühler angeordnet
sind und die von der Lichtquellen ausgesandten Lichtstrahlen von Oberflächen an
einem Ziel rückreflektiert
werden und auf dem Sensor dann auftreffen, wenn der Manipulatorarm
relativ zur Verbindungslinie zwischen den Reflektorflächen korrekt
positioniert ist.
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Schließlich ist
aus der
US 3 885 877 eine
Anordnung bekannt, dass ein mit Interferenzmustern arbeitendes optisches
System darstellt, wobei die Interferenzmuster durch Fluchtung/Fehlfluchtung
von Gittermustern auf einem Plättchen
und einer Maske erzeugt werden. Das Plättchen ist dabei auf einem
beweglichen Tisch montiert, der in Abhängigkeit von Signalen von einem
Rechner zu einem Indextisch seitlich beweglich ist, bis die Muster
auf dem Plättchen und
der Maske miteinander fluchten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Überwachung der räumlichen
Position und Orientierung eines Objekts wie beispielsweise eines
Funktionskopfes eines Roboterarms zu schaffen, wie welchem der kombinierte
positionsmäßige und
drehwinkelmäßige Fehler
wesentlich verringert ist und ein verringertes Verhältnis der
Empfindlichkeiten für
Drehwinkelfehler und positionsmäßige Fehler im
Vergleich zu dem oben beschriebenen System vorhanden ist.
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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 zueinander 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 Orientierung befindet.
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Gemäß der Erfindung
ist also ein Gerät
vorgesehen, wie es im Anspruch 1 angegeben ist.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung sind die Mittel zur Erzeugung der Lichtstrahlen Laserlichtquellen,
die unabhängig
von dem Objekt ortsfest montiert sind, und die Reflektormittel weisen
mindestens zwei zueinander abgewinkelte reflektierende Oberflächen auf.
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Vorzugsweise
sind die beiden unter einem Winkel zueinander verlaufenden reflektierenden
Flächen
derart zueinander winkelorientiert, dass, wenn das Objekt sich in
der Bezugsposition 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
unmittelbarer Nähe
der Laserlichtquelle reflektiert wird.
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Alternativ
dazu können
zwei zueinander abgewinkelt verlaufende reflektierende Flächen relativ zueinander
so positioniert und winkelorientiert sein, daß beide Laserstrahlen unter
einem Winkel von etwa 45° in
entgegengesetzten Richtungen reflektiert werden.
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Die
Lichtquelle zur Erzeugung der zwei kollimierten Lichtstrahlen ist
vorzugsweise eine einzige Laserlichtquelle in Verbindung mit einer
Blendenplatte.
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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.
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Bei
beiden Ausführungsformen
der Erfindung ist das Objekt vorzugsweise ein Funktionskopf eines
Roboterarms.
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Die
Erfindung wird nachstehend lediglich beispielsweise unter Bezugnahme
auf die 2 bis 6 der anliegenden
schematischen und nicht maßstäblichen
Zeichnungen erläutert,
in denen zeigt:
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1A Eine
Seitenansicht eines herkömmlichen
Systems, wie oben beschrieben,
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1B eine
Detailansicht eines Teils des Systems in 1A,
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2 eine
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
eines Geräts
nach der Erfindung zur Anzeige, ob ein Roboterfunktionskopf eine bestimmte
Bezugsposition einnimmt,
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3 eine
Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung einer Halbleiter-Laserdiodenquelle
und einer Blendenplatten als Strahlteiler,
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4 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht einer dritten Ausführungsform
der Erfindung,
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5 ein
Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung für das Gerät nach der Erfindung, und
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6 eine
Darstellung der Auswirkung von Fehlern auf die Strahlpositionen
relativ zu den Detektoren bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Geräts.
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Es
wird nun zunächst
auf die Ausführungsform
nach 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.
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An
dem Tragteil 30 ist eine Laserdiode 32 mit einer
Stromversorgung 34 angebracht. Die Laserdiode 32 erzeugt
einen Laserstrahl 48, der zu einer allgemein mit 36 bezeichneten
räumlichen
Stelle gerichtet ist, wobei es sich um eine bestimmte programmierte
Position innerhalb eines Bewegungsablaufs eines Objekts wie beispielsweise
eines Funktionskopfes 38 eine computergesteuerten Roboterarms 40 handelt.
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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 Laserdiode zu dieser Stelle ist.
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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.
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Eine
Blendenplatte 46 ist mit Bezug auf die Laserdiode 32 und
auf die Sichtlinie von dieser aus zu der Stelle 36 feststehend
angeordnet und dient zum Aufteilen des Laserstrahls 48 der
Laserdiode in zwei erste und zweite parallele Laserstrahlen 50, 52.
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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 Funktionskopf 18 sich
an der Stelle 36 und in seiner korrekten räumlichen
Orientierung befindet, reflektiert die Spiegelfläche 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.
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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 5 mehr im einzelnen beschrieben
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 Funktionskopf
sich sowohl korrekt an der räumlichen
Stelle 36 als auch in seiner korrekten räumlichen
Orientierung befindet.
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Die
Geometrie des oben beschriebenen optischen Systems stellt sicher,
daß die
von den Spiegelflächen 54, 56 auf
die Fotozellen 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 zurückfallen kann.
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Ein
bevorzugtes optisches System nach der Erfindung ist schematisch
in 3 dargestellt, wobei mit der Anordnung nach 2 übereinstimmende Teile
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Anordnung sind
die als Laserstrahldetektor dienenden Fotozellen 42, 44 mit
gleichen Abständen beiderseits
der als Laserstrahlquelle dienenden Laserdiode 32 an den
starren Tragteil 30 montiert. Bei der Laserstrahlquelle
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 Leuchtquerschnitt austritt. Unmittelbar vorderhalb
des Fensters ist eine Strahlformungsplatte 33 angeordnet,
die eine Schlitzblende enthält.
Beim anfänglichen
Ausrichten des Geräts
wird die Laserdiode nun so gedreht, daß die Hauptachse der leuchtenden
Ellipse der Laserdiode mit der längeren
Abmessung der Schlitzblende fluchtet.
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Das
distale Ende des Funktionskopfes 38 trägt einen Reflektorkörper 37 mit
zwei miteinander einen Winkel bildenden polierten Facetten, welche die
reflektierenden Flächen 54, 56 bilden.
Diese Facetten bilden zusammen einen Scheitel mit einem eingeschlossenen
Winkel von 135°,
der zur Laserquelle 32 hin zeigt. Eine kurze Distanz vorderhalb dieses
Reflektorblocks 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 halbkreisförmigen Enden
ausgebildet, während
die Strahlteilerplatte 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.
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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
Veränderungen
im Strahlenpfad der reflektierten Strahlen 50A, 52A aufgrund
von Fehlern in der Position des Funktionskopfes 38 leicht
wahrgenommen werden. In der Praxis ist diese Anordnung gegen Verschiebefehler
und Drehwinkelfehler E1 bis E7 um alle 6 zueinander senkrechten
Achsen empfindlich. Wenn der Funktionskopf 38 sich in seiner vorgegebenen
Bezugsposition 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 6 dargestellt.
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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.
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Der
Unterschied zwischen dem alternativen optischen System nach 3 und
demjenigen nach 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 empfindlich für den Nachweis
von Fehlerbewegungen des Funktionskopfes 38 entlang der
Achse des ausgesendeten Laserstrahls 48 ist als die Anordnung
nach 2, ist sie leichter einzustellen.
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Ein
drittes optisches System nach der Erfindung ist schematisch in 4 dargestellt,
wobei gleiche Elemente wie in den 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 schematisch durch
das Element 66 dargestellt ist. Der Kollimatorblock 64 ist
mit zueinander rechtwinkligen ersten und zweiten Kollimatoren 68, 70 versehen,
obwohl im Rahmen des Erfindungsgedankens auch mit anderen Winkeln
gearbeitet werden kann, und die Laserquelle 66 ist an oder
nahe dem Schnittpunkt der Achsen der Kollimatoren 68, 70 angeordnet.
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Die
Laserquelle 66 kann eine einzige Laserdiode sein, und es
können
Mittel wei 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.
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Die
Kollimatoren 68, 70 im Kollimatorblock 64 und
die Fotozellen 42, 44 bilden miteinander einen Winkel
und sind relativ zueinander so angeordnet, daß, wenn, und nur wenn der Funktionskopf
sich an seiner vorgegebenen räumlichen
Stelle 36 und in seiner korrekten Orientierung befindet,
die Fotozellen gleichzeitig Signale über die Strahlen 76, 78 von
der Laserquelle 66 innerhalb des Kollimatorblocks aufnehmen.
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Obwohl
die Ausführungsform
nach 4 den offensichtlichen Nachteil zu haben scheint,
daß eine
am Ende eines Roboterarms montierte Laserquelle montiert ist, mit
dem sich daraus ergebenden Nachteil, daß Stromzuführungen oder optische Fasern
durch den Roboterarm hindurchgeführt
oder daran befestigt werden müssen,
kann es Gelegenheiten geben, wo diese Anordnung trotzdem gegenüber einer
außerhalb
des Roboters angeordneten Laserquelle zu bevorzugen ist.
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Die
Fotozellen 42, 44 bei sämtlichen oben erörterten
Ausführungsformen
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.
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Die
nur als Block dargestellte Logigschaltung 58 in 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.
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Der
Block 58 beinhaltet eine elektronische Schaltung, welche
die beiden Fotozellenausgangssignale diskriminiert und ein digitales "Gut-" oder ein Fehlersignal
erzeugt.
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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-Blinkleuchte 72 liefert.
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Die
Spannung von jeder Fotozelle 42, 44 wird durch
einen invertierenden Verstärker
getrennt verstärkt
und diskriminiert, 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.
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Die
Fotozellen 42, 44 haben die gleiche Empfindlichkeitsregelung,
die auch als Spannungsteiler für
die Speisespannung dient. Ein Spannungserhöher dient zur Vergrößerung der
Verstärkung
der Fotozellenverstärker.
Dies ist nützlich,
wenn kleine Strahlen verwendet werden oder wenn eine höhere Empfindlichkeit
verlangt wird.
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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
voreingestellte Pegel, die beide durch die Eingangsspannung durchquert
werden müssen,
um eine Zustandsänderung zu
bewirken.
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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 Dunkelzustand
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 unterbricht und
eine "Gut"- Ausgangsverbindung
herstellt. Dadurch kann der Block 58 unter Verwendung irgendeiner
Spannungsversorgung mit weiterer Schaltung verbunden sein.
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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.
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Für eine Positionsprüfung hoher
Genauigkeit wird ein intensiver, 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.
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Insbesondere
ist eine Halbleiter-Laserdiode kompakt und hat vorteilhafte Strahleigenschaften. Die
Feldnatur des abgehenden 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 Durchmesser aus. In der Praxis weist
der Strahl einen hellen Mittelbereich mit etwa 2 mm Breite zwischen
parallelen Randzonen auf, so daß das
Strahlquerschnittsprofil als grob elliptisch beschrieben werden
kann. Dies hat sich in Verbindung mit der Strahlteiler-Blendenplatte als
ideal erwiesen, beispielsweise bei der in 3 dargestellten
Ausführungsform
zur Erzeugung der gewünschten
parallelen Strahlen 50A, 52A mit geringer Divergenz.
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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 Ansprechen auf den auftreffenden Strahl ohne übermäßige Beeinflussung
durch Umgebungslicht zu ermöglichen.
Der obere Teil der 6 zeigt (der Klarheit halber
nur schematisch) einen Laserstrahl mit rechteckigem Profil, der
auf eine kreisförmige
Fotozelle auftrifft. Aus der Auslegung der Ausführungsbeispiele nach den 2, 3 und 4 ist
ersichtlich, daß die Fotozellen
ziemlich weit auseinanderliegen, aber aus Gründen kompakter Darstellung
sind sie in 6 enger beieinanderliegend in
durch gestrichelte Linien verbundenen Paaren dargestellt.
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Die
oberste Darstellung in 6 zeigt beide Lichtstrahlen
mit perfekter Ausrichtung auf die zugehörigen Fotozellen auftreffend.
Dieser Fall tritt nur dann ein, wenn der Reflektor 38 und
daher auch der ganze Roboterarm genau die Bezugsposition 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 wesentlichen gibt es einen kreisförmigen Fehlerbereich um jede
Fotozelle herum, der noch toleriert werden kann. Dies entspricht einem
Beleuchtungsschwellenwert, oberhalb dessen der Fehler unbedeutend
ist, aber unterhalb dessen der Roboter außer Betrieb gesetzt werden
muß, bis eine
Korrektur vorgenommen worden ist. Der Schwellenwert kann elektronisch
variiert werden, indem ein Diskriminierungspegel innerhalb der Elektronikschaltung 58 verändert wird.
Der Schwellenwertbereich 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 beleuchtet
wird, mit einem Variationsbereich von beispielsweise 25% bis 75%.
In 3 sind die aufgelösten Komponenten möglicher
Fehler durch Pfeile E2 bis E7 dargestellt, und die Auswirkungen
dieser Fehler auf die relative Position von Laserstrahl und Detektorfotozelle
bei einem 50%-Beleuchtungspegel sind in 6 unter
den Kopfzeilen "Fehler
E2" bis "Fehler E7" dargestellt. Es
ist klar, daß größere Fehler,
aufgrund derer der Laserstrahl 48 den Reflektor 38 vollständig verfehlt
bzw. die Fotozellen 42, 44 überhaupt nicht beleuchtet werden,
natürlich
entsprechend erfaßt
werden.
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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 tatsächlich innerhalb der zulässigen Fehlergrenzen
erreicht worden ist. Durch Anheben des Beleuchtungsschwellenpegels
wird also der zulässige
Positionsfehler verringert, und durch Verringerung des Beleuchtungsschwellenpegels
wird der zulässige
Positionsfehler vergrößert.
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Wenn
der festgestellte Positionsfehler unter den eingestellten Schwellenwert
fällt oder
die Laserstrahlen die Fotozellen vollständig verfehlen, wird das Ausgangssignal 59 der
Elektronikschaltung in ihrem entsprechenden Zustand verriegelt.
Dieses Signal wird vorzugsweise dazu verwendet, dem Robotersteuersystem
ein Sperrsignal zuzuführen,
um eine weitere Betätigung
des Roboters zu verhindern, bis der Positionsfehler 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.
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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 6 leicht erkennbar ist. Zwei-Ring-Fotozellen (oder
Fotozellen mit noch mehr Ringzonen) können die Amplitude eines Fehlers,
jedoch nicht seine Richtung anzeigen. 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 Roboterregelsystem
einzuführen.
Das entsprechend der Darstellung in 3 aufgebaute
System erfordert nur eine minimale Schnittstelle mit dem normalen
Robotersteuersystem, d. h., um eine praktische Auswirkung des Sperrsignals 59 hervorzurufen.
Die beschriebenen Anordnungen können
deshalb als vollständig
separate und im wesentlichen unabhängige Systeme ausgeführt werden.
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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 Fotodetektorausgangssignale, und zusätzlich kann
ein schmalbandiges optisches Filter über den Fotodetektorblenden
angeordnet werden.