JP4377229B2 - 位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は基体に対する可動な部材の位置を捕捉する位置測定装置に関する。

特許文献１と２から、基体に対する可動な部材の空間的位置を、互いに空間的に設けられた多数のテレスコープ状棒を介して、テレスコープ状棒の長さを測定することに基づいて算出する位置測定装置が公知である。このような位置測定装置を使用する目的として、特許文献２において、プログラム制御された装置アームの位置精度検査が引用されている。

３自由度で可動な部材の空間的位置を決定するのに、多数のテレスコープ状棒を配設することはこれらの位置測定装置の場合不都合である。テレスコープ状棒は、所定の計算規則に従って、テレスコープ状棒の位置の相互関係から可動な部材の空間的位置を決定するために、所定の位置で互いに設けられている。
ドイツ国特許公開公報第１９５３４５３５号明細書 ドイツ国特許公開公報第３５０４４６４号明細書 ドイツ国特許第１９７０３７３５号明細書 国際特許出願公開第０１／３８８２８号明細書

本発明の課題は、基体に対する可動な部材の空間的位置を捕捉するための位置測定装置の構成を簡易化することである。

上記課題は、請求項１の特徴によって解決される。

本発明の長所は、唯一のテレスコープ型脚を用いて、簡単な構成で、測定されるべき可動な部材の変位が少なくとも３自由度で、すなわち一つの並進運動をする自由度と二つの回転運動する自由度で測定可能であることである。

位置測定装置の有利な形態は、従属した請求項において与えられている。

本発明の詳細と他の長所は、符号に基づいた実施例の以下に続く説明から明らかになる。

図１には本発明による位置測定装置１０の基本構成を図示してある。この位置測定装置はリンク機構２を備えた基体１から成り、このリンク機構を介して、全方向で旋回可能に支持体３が基体１に支承されている。支持体３はテレスコープ式に形成されており、少なくとも互いの中へ摺動可能な二つの管３．１と３．２から成る。一方の管３．１はテレスコープ部分としてリンク機構２に支承されており、もう一方の管３．２は他のリンク機構４を介して、測定すべき部材５に全方向で旋回可能に支承されている。

支持体３の長手方向への部材５の変位は、長さ測定装置６により測定される。この装置は一方の管３．１に固定されているスケール６．１ともう一方の管３．２に固定されているスキャナユニット６．２から成る。重複して長さを測るために、多くのこのような長さ測定装置が使用される。特にこれらの装置は、特許文献３において図５に示すように、二つのリンク機構２，４の間に位置している中央の連結線に対して対称に設けられている。

部材５が基体１に対して横に位置を変えると、支持体３は基体１対して旋回運動を行う
。この旋回運動は角度測定装置７を使って測定される。角度測定装置は、光源７．１と、検出器７．２と、格子７．３とから成る。光源７．１はリンク機構４の支点Ｄ４内で部材５に不動に設けられており、かつ支持体３に沿って発散する光線束Ｌを送る（図２）。光線束Ｌの範囲内で、検出器７．２は基体１においてリンク機構２の支点Ｄ２内にある。ある一定の間隔をおいて、格子７．３は検出器７．２の前方で同様に基体１に固定された状態にあり、したがって格子７．３は検出器７．２に不動に所属している。発散する光線束Ｌを使用して格子７．３を照射することにより、強度パターンＭが形成され、検出器７．２に対する強度パターンの位置は、支持体３の旋回運動に関する尺度であり、それとともに部材５の横の変位の尺度でもある。

基体１あるいは測定されるべき部材５に直接光源７．１と検出器７．２を配設することにより、リンク機構２と４の故障、ならびに支持体３の変位エラーは、角度計測に影響を及ぼさない。角度計測のための光路は、可動な部材５と基体１との間にある。この場合、一方の支点Ｄ２，Ｄ４内には光源７．１が、もう一方の支点Ｄ４，Ｄ２内には検出器７．２の感光性の部材の重心が設けられている。図示していない方法で、一方の支点Ｄ２，Ｄ４内には光源７．１ならびに検出器７．２が設けられており、もう一方の支点Ｄ４，Ｄ２内には再帰性反射部材が設けられている。この場合、光線の分割は長所であり、したがって光線束は格子７．３を介して一方向へのみ進む。そのとき検出器７．２あるいは光源７．１は、支点Ｄ２あるいはＤ４の部分光線束により反射されたかあるいは結像された位置にある。格子７．３は光源７．１あるいは検出器７．２のどちらかに空間的に固定されている。

部材５の横への変位を、支持体３の長手方向に対して横方向でもって全方向において測定するために、つまり支点Ｄ２を中心とした部材５の旋回角度を測定するために、格子７．３は二次元構造、例えば交差格子であり、したがって照射の際二次元の強度パターンMが生じ、検出器７．２に対するその強度パターンの位置は検出器７．２に対して、基体１に対する部材５の角度に関する尺度である。

検出器７．２は特に互いに相対して位相をずらすことが可能な多数の電気的正弦波走査信号を発生させるための多数の感光性部材から成る。走査信号を発生させるための感光性部材の面重心（Flachenschwerpunkt）は、示された例では、各々支点Ｄ２内にある。

図２には、角度測定の元々特許文献４から知られた原理が直線格子を基にして表されている。その原理の詳細に関連して、特許文献４の開示ではっきりと示されている。

リンク機構２と４は、冒頭で述べた特許文献２に記載されているようなカルダン式サスペンションかあるいは磁気的に固定されたバックラッシュの無い球状リンク機構である。

支持体３は長さ測定装置６に対してスキャナユニット６．２の長手方向のガイドを有利に形成する。さらに支持体３は角度測定装置７のためのカバーを形成し、従って外来光から保護しかつ周囲の影響から守る。

図３には位置測定装置１００の他の実施例を示す。長さ測定装置として、ここでは干渉計６０を使用する。干渉計はレーザー６１と、ビームスプリッタ６２と、光源として球形ヘッド６４を備えた光ファイバ導波管６３から成る。この球形ヘッド６４は支点Ｄ４にある。発散する光線束Ｌはビームスプリッタ６５上で、二つの部分光線束Ｌ１とＬ２を形成する。一方の光線束Ｌ１は、分散する光線束Ｌ１が格子７．３に角度依存して変調され、強度パターン Mが検出器７．２により捕らえられることにより、上述の角度測定に役立つ。もう一方の部分光線束Ｌ２は再帰性反射体６６に達し、そこで反射して再度光ファイバ導波管６３に接続される。反射した光線束Ｌ２の評価と、図３に記載されていない支持体３に沿った基体１に抗した可動な部材５の長手方向への変位の決定は、公知の方法で行われる。

再帰性反射体６６の中心点は、支点Ｄ２にあり、検出器７．２は支点Ｄ２のビームスプリッタ６５により形成された像Ｄ２‘内にある。さらに検出器７．２が支点Ｄ２内にあり、かつ再帰性反射体６６の中心点が像Ｄ２‘内にあることによって、反転も可能である。

上記の位置測定装置１０，１００は、可動な部材５がプログラム制御された機械部品に、例えばロボットの機器アームに、あるいは工作機械のスピンドルの機器アームに固定されていることによって、および基体１が機械に基礎部分に、すなわち工作機械の加工品担持体に固定されていることによって、プログラム制御された機械部品の位置精度を検査するために有利に使用される。工作機械ならびに工作材料１‘のスピンドル５’は、図１において概略的に破線で書かれて示されている。

図４では、６自由度で可動な部材５を捕捉するための、上記の位置測定装置１０あるいは１００の使われ方を示している。基体１に対する部材５の空間的な位置ならびにプレート形状の部材５の方向を補足するために、テレスコープ式の位置測定装置１０あるいは１００は、一方では基体１に関節的に設けられており、もう一方では部材５に関節的に設けられている。

５自由度のみを捕捉しようとするならば、位置測定装置１０あるいは１００が二つあれば十分である。

図５には例えば位置測定装置１０あるいは１００の他の使われ方を示す。工作機械の場合、スピンドル担持体８は多数の長さが可変のトラス９を介して空間的位置ならびに方位において調節可能である。スピンドル担持体８は中央のコラム１１により全方面に方向転換可能であり、かつ基体１に長さ可変に枢着されている。中央コラム１１の長手軸線方向での、支点Ｄ２ならびにスピンドル担持体８の長手方向の変位に対する中央コラム１１の傾斜、およびそれと共にスピンドル担持体８の方位が、本発明による位置測定装置１０あるいは１００を用いて測定可能である。

可動な部材の空間的位置を測定するための位置測定装置を示す図。 図１による位置測定装置の角度測定装置の機能原理を示す図。 干渉メートル法の長さ測定に関する可動な部材の空間的位置を計測するための他の位置測定装置を示す図。 ６自由度における可動な部材を捕捉するための位置測定装置の使用図である。 ある機械における位置測定装置の使用図である。

符号の説明

１ 基体
１‘ 基礎部分
２ リンク機構
３ 支持体
４ リンク機構
５ 可動な部材
５‘ 機械部分
６ 長さ測定装置
６．１ スケール
６．２ スキャナユニット
７ 角度測定装置
７．１ 光源
７．２ 検出器
７．３ 格子
８ 可動な部材
１１ 支持体
６０ 干渉計
６４ 光源
Ｍ 強度パターン
Ｌ 光路
Ｄ２ 支点
Ｄ４ 支点

Claims (8)

1. 可動な部材（５，８）を基体（１）に接続する、長さが可変の支持体（３，１１）と、
   それにより支持体（３，１１）が、支点（Ｄ２）を中心にして基体（１）内で旋回可能に支承されているリンク機構（２）と
   支持体（３，１１）に沿って、基体（１）に対する可動な部材（５，８）の間隔を測定するための長さ測定装置（６）と、
   少なくとも一つの光源（７．１）と、一つの検出器（７．２）と、光源（７．１）あるいは検出器（７．２）に空間的に固定されている、光源（７．１）と検出器（７．２）との間の光路内における一つの格子（７．３）とを有する、可動な部材（５，８）と基体（１）との間の角度を測定するための角度測定装置（７）とを備えた、基体（１）に対する可動な部材（５）の空間的位置を捕捉する位置測定装置において、
   光源（７．１）を使用して格子（７．３）を照射することにより、強度パターンＭが得られ、検出器（７．２）に対するこの強度パターンの位置が、角度に関する尺度であることによって、角度を測定するための光路（Ｌ）が、可動な部材（５，８）と基体（１）との間の支持体（３，１１）に沿って延びていること、
   支点（Ｄ２）において、光源（７．１）、あるいは検出器（７．２）の感光性部材の重心が設けられていること、そしてさらに、
   支持体（３）がテレスコープ式に形成され、かつ角度測定装置（７）の光路用のカバーを形成していることを特徴とする位置測定装置。
2. 支持体（３）と可動な部材（５）との間に、他のリンク機構（４）が設けられており、このリンク機構により可動な部材（５）が、支点（Ｄ４）を中心にして支持体（３）に旋回可能に支承されていることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
3. 一方の支点（Ｄ２，Ｄ４）内には光源（７．１）と検出器（７．２）が設けられ、もう一方の支点（Ｄ４，Ｄ２）内には再帰性反射部材が設けられていることを特徴とする請求項２記載の位置測定装置。
4. 一方のテレスコープ部（３．１）にスケール（６．１）が、もう一方のテレスコープ部（３．２）に長さ測定装置（６）のスケール（６．１）を走査するスキャナユニット（６．２）が固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の位置測定装置。
5. 長さ測定装置が干渉計（６０）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の位置測定装置。
6. 共通の光源（６４）の光が、角度を測定しかつ長さを測定するために、二つの部分光線束（Ｌ１，Ｌ２）に分割されるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の位置測定装置。
7. 格子（７．３）が二次元の強度パターンＭを形成する二次元の交差格子であり、検出器（７．２）に対してこの強度パターンの位置が角度に関する尺度であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の位置測定装置。
8. 可動な部材（５）がプログラム制御された機械部分（５’）で固定されていて、かつ基体（１）が機械の基礎部分（１’）で固定されていることにより、この位置測定装置が、プログラム制御された機械部分（５’）の位置精度を検査するために使用されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の位置測定装置。

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