Claims (6)
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM)
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BeschreibungDescription
Taktiler Sensor für Messungen in zwei RichtungenTactile sensor for measurements in two directions
Die Erfindung bezieht sich auf einen taktilen Sensor für das simultane Bestimmen von Wegen in zwei (z.B. orthogonalen) Koordinaten
des Raumes.The invention relates to a tactile sensor for the simultaneous determination of paths in two (e.g. orthogonal) coordinates
of space.
Beim Robotereinsatz für Füge- oder Bearbeitungsaufgaben jeder Art ergibt sich häufig das Problem, zu bestimmen, wie gut die Bahn
des Werkzeuges mit dem Verlauf der zu fügenden oder zu bearbeitenden Werkstückkontur übereinstimmt. Zweck der Erfindung ist das
Lösen dieses Problems mit Hilfe eines zweiachsigen taktilen Sensors, der die Position der Werkzeugspitze, zum Beispiel eines
Schweißbrenners, relativ zum Werkstück unmittelbar mißt, ohne die Abmessungen des Werkzeuges zu vergrößern.When using robots for joining or machining tasks of any kind, the problem often arises of determining how well the path of the tool matches the contour of the workpiece to be joined or machined. The purpose of the invention is to solve this problem with the help of a two-axis tactile sensor that directly measures the position of the tool tip, for example a welding torch, relative to the workpiece without increasing the dimensions of the tool.
Taktile Sensoren sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt und werden für Meß- und Regelungsaufgaben verwendet. Resistive,
kapazitive und induktive Meßprinzipien kommen zur Anwendung, um die mechanische Größe "Weg" in eine andere physikalische Größe,
z.B. eine Spannung, umzuwandeln, die sich einer Weiterverarbeitung leichter erschließt. Einige von ihnen weisen eine sehr gute
Linearität sowie eine geringe Baugröße auf. Für das gleichzeitige Messen in zwei Koordinaten des Raumes bei kleiner Baugröße ist
ein Sensor bekannt, der für die Anwendung in Verbindung mit Schweißbrennern bestimmt ist.Tactile sensors are known in a wide range of designs and are used for measuring and control tasks. Resistive, capacitive and inductive measuring principles are used to convert the mechanical quantity "distance" into another physical quantity, e.g. a voltage, which is easier to process. Some of them have very good linearity and a small size. For simultaneous measurement in two spatial coordinates with a small size, a sensor is known that is intended for use in conjunction with welding torches.
Ein Nachteil dieses Sensors ist darin zu sehen, daß kein linearer Zusammenhang zwischen der Auslenkung des Meßfühlers und den Ausgangssignalen
des Sensors besteht und die Signale für die y- und z-Richtung nicht voreinander unabhängig sind. Der EinsatzbereichA disadvantage of this sensor is that there is no linear relationship between the deflection of the sensor and the output signals of the sensor and the signals for the y and z directions are not independent of each other. The application area
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dieses Systems wird dadurch auf Fälle eingeschränkt, bei denen die Auslenkung des Meßfühlers durch regelungstechnische Maßnahmen
konstant gehalten werden kann.This system is therefore limited to cases where the deflection of the sensor can be kept constant by control measures.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gleichzeitige Messen
in zwei Richtungen ohne regelungstechnische Maßnahmen zu ermöglichen und einen Sensor zu schaffen, der einfach aufgebaut
ist und in Meßbereichen von jeweils mindestens _ 5 mm zwei voneinander
unabhängige Signale liefert. Die Abweichung vom linearen Zusammenhang zwischen diesen Signalen und der Auslenkung der
Meßspitze in y- und z-Richtung soll dabei vernachlässigbar sein.The invention is based on the task of enabling simultaneous measurement in two directions without control measures and of creating a sensor that is simply constructed and delivers two independent signals in measuring ranges of at least _ 5 mm each. The deviation from the linear relationship between these signals and the deflection of the measuring tip in the y and z directions should be negligible.
Erreicht wird dies durch Kombination zweier handelsüblicher Wegaufnehmer
3 und 5 guter Linearität, z.B. LVDT-Aufnehmer. Sie werden so gewählt, daß die Länge des Aufnehmers 3 groß ist gegenüber
der des Aufnehmers 2 und groß ist gegenüber dem Abstand der Mittelachsen von 3 und 5. Dadurch kann einerseits die Beeinflussung
des z-Signales durch eine Auslenkung der Meßspitze in y-Richtung beliebig klein gehalten werden. Andererseits wird eine
schlanke Bauform im Bereich des zu messenden Punktes 4 erreicht, weil die Vorrichtungen 1, 2 und 5, die zur Erzeugung des y-Signales
dienen, in einem Abstand von Punkt 4 angebracht werden können, der nur durch die Länge des Aufnehmers 3 begrenzt wird.This is achieved by combining two commercially available displacement sensors
3 and 5 with good linearity, e.g. LVDT sensors. They are selected so that the length of sensor 3 is large compared to that of sensor 2 and large compared to the distance between the center axes of 3 and 5. This means that the influence of the z-signal by deflecting the measuring tip in the y-direction can be kept as small as desired. On the other hand, a slim design is achieved in the area of the point 4 to be measured because the devices 1, 2 and 5, which are used to generate the y-signal, can be installed at a distance from point 4 that is only limited by the length of sensor 3.
Durch die Lage der Drehachse 7 in der Ebene 8 wird eine Auslenkung
Ay des Punktes 4 und somit der Meßspitze 12 in y-Richtung
linear in eine Auslenkung Ay* der Meßspitze 6 des Aufnehmers 5
in Richtung seiner Mittelachse übersetzt. Hierbei gilt das Übersetzungsverhältnis
jHjfc- = konstant mit zQ als Abstand zwischen
Drehpunkt 7 und Punkt 4 sowie zo* als Abstand zwischen Drehpunkt
7 und dem Berührungspunkt 14 zwischen Meßspitze 6 und Ebene 8. Zum Erzielen einer schlanken Bauform wählt man-^-R>
> 1. Entspre-Due to the position of the rotation axis 7 in the plane 8, a deflection Ay of point 4 and thus of the measuring tip 12 in the y-direction is translated linearly into a deflection Ay* of the measuring tip 6 of the sensor 5 in the direction of its central axis. The translation ratio jHjfc- = constant applies here, with z Q as the distance between the rotation point 7 and point 4 and z o * as the distance between the rotation point 7 and the contact point 14 between the measuring tip 6 and plane 8. To achieve a slim design, select -^-R>> 1. Accordingly,
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chendes gilt für eine nicht parallele Anordnung der Weggeber 3 und 5, wobei für jeden möglichen Winkel zwischen den Weggebern 3
und 5 der Winkel zwischen der Ebene 8 und der Mittelachse des Weggebers 5 90° betragen muß. Die Form des Zwischenstückes 1 und
damit die Lage der Ebene 8 muß hierzu entsprechend angepaßt werden. The same applies to a non-parallel arrangement of the position sensors 3 and 5, whereby for every possible angle between the position sensors 3 and 5 the angle between the plane 8 and the center axis of the position sensor 5 must be 90°. The shape of the intermediate piece 1 and thus the position of the plane 8 must be adapted accordingly.
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SchutzansprücheProtection claims
1. Taktiler Sensor für Messungen in zwei Richtungen mit zwei handelsüblichen Weggebern, gekennzeichnet durch eine mechanische
Koppelung der Wegaufnehmer, die so ausgeführt ist, daß der mittels eines Zwischenstückes (1) drehbar in einer Halterung
(2) gelagerte Wegaufnehmer (3) die Lage eines beliebigen Punktes (4) in z-Richtung und der parallel zum Wegaufnehmer1. Tactile sensor for measurements in two directions with two commercially available displacement sensors, characterized by a mechanical coupling of the displacement sensors, which is designed in such a way that the displacement sensor (3) which is rotatably mounted in a holder (2) by means of an intermediate piece (1) can measure the position of any point (4) in the z-direction and the position parallel to the displacement sensor
(3) in der Halterung (2) fest angebrachte Wegaufnehmer (5)
mittels seiner Meßspitze (6) die Drehbewegung des Zwischenstückes (1) und damit des Wegaufnehmers (3) um die Drehachse(3) displacement sensor (5) fixed in the holder (2)
using its measuring tip (6) to measure the rotary movement of the intermediate piece (1) and thus of the displacement sensor (3) around the axis of rotation
(7) erfaßt, wodurch die Lage des Punktes (4) in y-Richtung gemessen wird.(7), whereby the position of the point (4) in the y-direction is measured.
2. Taktiler Sensor nach Anspruch 1,2. Tactile sensor according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Wegaufnehmers (3) groß gegenüber der des Wegaufnehmers (5) gewählt wird.characterized in that the length of the displacement sensor (3) is selected to be large compared to that of the displacement sensor (5).
3. Taktiler Sensor nach Anspruch 1,3. Tactile sensor according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Wegaufnehmer beliebiger Länge eingebaut werden.characterized in that displacement sensors of any length can be installed.
4. Taktiler Sensor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3,4. Tactile sensor according to claims 1, 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (5) senkrecht mit seiner Meßspitze (6) auf einer gehärteten und polierten Ebenecharacterized in that the displacement sensor (5) is mounted vertically with its measuring tip (6) on a hardened and polished plane
(8) steht, in der die Drehachse (7) liegt.(8) in which the axis of rotation (7) lies.
5. Taktiler Sensor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3,5. Tactile sensor according to claims 1, 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wegaufnehmer in einem beliebigen (z.B. rechten) Winkel zueinander angeordnet sind.characterized in that the displacement sensors are arranged at any desired (e.g. right) angle to one another.
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6. Taktiler Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Verbindungselement (9) zwischen der
Halterung (2) und einer mit einer entsprechenden Ausnehmung (10) versehenen Schweißbrenner-Gasdüse (11), wobei durch mechanische
Justierung gewährleistet wird, daß sich die Meßspitze (12) des Wegaufnehmers (3) bei Mittelstellung beider Wegaufnehmer
genau im Werkzeugmittelpunkt (4) eines MAG-Schweißbrenners (13) befindet, die übrigen Komponenten aber außerhalb
der Düse.6. Tactile sensor according to claims 1 to 5, characterized by a connecting element (9) between the
holder (2) and a welding torch gas nozzle (11) provided with a corresponding recess (10), whereby mechanical
adjustment ensures that the measuring tip (12) of the displacement sensor (3) is located exactly in the tool center (4) of a MAG welding torch (13) when both displacement sensors are in the middle position, but the other components are outside
the nozzle.