DE4409530A1 - Berührungslos arbeitende Meßeinrichtung für sechs Freiheitsgrade und Verwendung zur Bestimmung des zweidimensional definierten Ortes eines Meßkörpers - Google Patents
Berührungslos arbeitende Meßeinrichtung für sechs Freiheitsgrade und Verwendung zur Bestimmung des zweidimensional definierten Ortes eines MeßkörpersInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944409530 DE4409530C2 (de) | 1993-03-19 | 1994-03-21 | Berührungslos arbeitende Meßeinrichtung und deren Verwendung zur Bestimmung des zweideimensional definierten Ortes eines Meßkörpers |
Applications Claiming Priority (3)
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