Vorrichtung zum Feststellen der relativen Lage einer Bezugsach;se eines Obiekts bezüglich eines

Referenzstrahls, insbesondere eines Laserstrahls

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem einleitenden Teil des Patentanspruchs 1.

Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art wird der Teil¬ strahl unter einem rechten Winkel zum einfallenden primären Referenzstrahl abgezweigt. Bei der bekannten Vorrichtung, die im Meßkopf eines Industrieroboters für dessen laserge¬ führte Steuerung untergebracht ist (DE-A137 10 068), dient der Positionsdetektor, auf den der den Teilerspiegel gerad¬ linig durchquerende Referenzstrahl einfällt, der Ermittlung von Verlagerungen des Meßkopfes senkrecht zum Referenz¬ strahl, während der andere Positionsdetektor, auf den der rechtwinklig abgezweigte Teilstrahl einfällt, den Zweck erfüllt, Signale zu liefern, die zu der Drehung des Meßkopfes um den Referenzstrahl proportional sind. Eine in den Strahlengang des Referenzstrahls eingefügte Vergrößerungslinse ist so bemessen, daß sie eine Vergröße¬ rung der X-Richtung und der Y-Richtung auf dem erstgenann¬ ten Positionsdetektor bewirkt, und die Abstände der beiden Positionsdetektoren vom Teilerspiegel sind verschieden groß eingerichtet, wobei der vom Referenzstrahl getroffene Positionsdetektor nahe beim Teilerspiegel angeordnet ist und der andere Positionsdetektor hiervon senkrecht zum Referenzstrahl einen wesentlich größeren Abstand aufweist.

Die Folge ist, daß die bekannte Vorrichtung einen großen Raumbedarf in Richtung senkrecht zum Laserstrahl aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem einleitenden Teil des Patentanspruchs 1 zu schaf¬ fen, die einen wesentlich geringeren Raumbedarf hat als die bekannten Vorrichtungen und dennoch eine große wirksame Längendifferenz für die Abstände zwischen den Meßstellen auf dem Meßobjekt aufweist, so daß sie mit großem Auflö¬ sungsvermögen und großer Genauigkeit für die Feststellung sowohl von Parallelversätzen als auch von Winkelversätzen der Bezugsachse des Meßobjekts bezüglich des Referenz¬ strahls eingesetzt werden kann.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die im speziellen Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die mit der besonderen Art der zweifachen Spiegelung des abgezweig¬ ten Teilstrahls bewirkte Faltung desselben bei optimal geringem Platzbedarf für die Vorrichtung schon geometrisch ein erheblich vergrößerter Abstand zwischen den Meßstellen am Objekt, nämlich der direkten Meßstelle im Strahlengang des Referenzstrahls und der virtuellen Meßstelle im Strah¬ lengang des Teilstrahls, erreicht und diese Längendifferenz wird durch die speziell auf diesen Zweck abgestimmte Bemes¬ sung der Vergrößerungsoptik noch auf optischem Wege ver¬ größert.

Ein besonderes kompakter und auch störungssicherer Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird gemäß Patentanspruch 2 dadurch erreicht, daß die Sammeloptik mit dem Teilerspie¬ gel und dem Umlenkspiegel sowie mit den Positionsdetektoren zu einer Kompaktglasoptik verklebt wird, wofür die Sammel¬ optik zur optischen Vergrößerung des Meßstellenabstandes eingangsseitig von der Kompaktglasoptik , also bereits vor dem Teilerspiegel, in den Strahlengang des Referenz-

Strahls eingebaut wird.

Drehungen der Vorrichtung um die Achse des Referenzstrahls sowie der Abstand der Vorrichtung vom Strahlungssender können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Patent¬ anspruch 3 dadurch erfaßt werden, daß der Strahlungssender zwei einen spitzen Winkel miteinander einschließende Refe- _/ renzstrahlen so zum Objekt aussendet, daß beide auf die Positionsdetektoren einfallen. Die Trennung der beiden Durchstoßpunkte der auf jeden Detektor einfallenden beiden Referenzstrahlen kann bei entsprechender Wahl der Positi¬ onsdetektoren diesen überlassen werden. Besonders vorteil¬ haft ist es jedoch, den Strahlungssender so einzurichten, daß er die beiden Referenzstrahlen im Wechsel aussendet, so daß einfachere zweiachsige Positionsdetektoren einge¬ setzt werden können (Anspruch 4).

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig.l-Fig.3 schematische Darstellungen zur Erläuterung der prinzipiellen Arbeitsweise von Vorrichtun¬ gen der der Erfindung zugrundeliegenden Gat¬ tung,

Fig. eine perspektivische Darstellung zur Erläute¬ rung des bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung alternativ einsetzbaren Prinzips einer Messung mit zwei Referenzstrahlen,

Fig, in perspektivischer Darstellung eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung, und

Fig. 6a-6c eine bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbare Bauform eines Positionsdetektors.

Gemäß Fig. 1- Fig. 5 sendet ein raumfester Strahlungssender S einen im wesentlichen parallel gebündelten primären Re erenzstrahl R , vorzugsweise einen Laserstrahl, in 5 solcher Richtung aus, daß dieser auf zwei in seiner Projek¬ tionsrichtung entweder körperlich oder virtuell im Abstand hintereinander angeordnete, in der Zeichnung schematisch durch Rechtecke wiedergegebene zweiachsige, optoelektroni¬ sche Positionsdetektoren 23, 25 auftrifft. Die Positionsde- 0 tektoren sind starr an einem Objekt festgelegt, das eine feste Bezugsachse BA aufweist, deren Lage bezüglich des primären Referenzstrahls R hinsichtlich Parallelversatz

P und Winkelversatz und - unter Anwendung des Zweistrahl—

Prinzip gemäß Fig. 4 - auch hinsichtlich ihrer Winkellage

^5 um den primären Referenzstrahl R festzustellen ist. Das

Zweistrahl-Prinzip gemäß Fig. 4 ermöglicht zudem auch noch die Ermittlung der Entfernung des Objektes von einem festen Raumpunkt, z.B. dem Ort des Strahlungssenders S.

20 Das Objekt ist, da es auf dessen Einzelheiten nicht an¬ kommt, in der Zeichnung nur mit seiner Bezugsachse BA wiedergegeben.

Die Positionsdetektoren 23, 25 sind in der Zeichnung sche- 25 matisch durch Rechtecke angedeutet. In Fig. 1, 2 und 4 sind sie zum Zwecke der Erläuterung des grundsätzlichen Meßprinzips körperlich hintereinander dargestellt. Bei¬ den praktischen Ausführungen der gattungsgemäßen Vorrich¬ tungen befinden sie sich jedoch in Wirklichkeit, wie

30 im Prinzip aus Fig. 3 ersichtlich, nur virtuell hinterein¬ ander, körperlich hingegen nicht.

Die Positionsdetektoren 23, 25 liefern gemäß Fig. 1 und 2 elektrische Signale, die der Größe und dem Vorzeichen

35 im wesentlichen zueinander senkrechter, nur in Fig. 1 und Fig. 2 eingetragener Koordinaten x und y (Detektor 23) bzw. x' ,y' (Detektor 25) des Abstandes entsprechen,

den der jeweilige Auftreffpunkt A,A' des primären Referenz¬ strahls R bzw. eines von diesem abgezeigten Teilstrahls

R ' (Fig.3) in der Detektorebene von einem Bezugspunkt BP in dieser aufweist. Die Lage der Bezugspunkte BP in der Detektorebene ist nach praktischen meßtechnischen Voraussetzungen willkürlich wählbar aber von vornherein festgelegt, also bekannt. Bei den der Erläuterung der prinzipiellen gattungsgemäßen Funktionsweise dienenden Fig. 1- Fig. 3 liegen die Bezugspunkte BP darstellungshal¬ ber jeweils an der unteren vorderen Ecke der Positionsde¬ tektoren 23,25, wobei ihre Verbindungslinie mit der objekt¬ festen Bezugsachse BA zusammenfällt.

Die Positionsdetektoren 23,25 sind an dem die Bezugsachse BA aufweisenden Objekt so angeordnet, daß ihre Koordinaten¬ achsen in der Projektionsrichtung des primären Referenz¬ strahls R fluchten. P

Bei der in Fig. 1 zu sehenden Position der Bezugsachse BA haben die Auftreffpunkte A,A' des primären Referenz¬ strahls R auf den Positionsdetektoren 23,25 von' dem jewei-

P ^J ligen Bezugspunkt BP nach Größe und Richtung den gleichen

Abstand, so daß auch die Koordinate x der Koordinate x' und die Koordinate y der Koordinate y' entspricht und die Detektoren entsprrechende Sig ^β nale Sx,' Sx ' ,' Sy ,' Sy ' über einen passenden Signalwandler 3 an die Datenverarbei¬ tungseinrichtung z.B. in Form eines handelsüblichen Compu¬ ters liefern. Dieser Computer errechnet aus den Signalen nach Parallelversätzen in Xund Y-Richtung und nach Gier- und Stampf-Winkelversatz getrennt oder nach anderen Krite¬ rien die relative Lage der Bezugsachse BA des Objekts bezüglich des primären Referenzstrahls R sowie Werte für an vorgegebenen Montagepunkten des Objekts vorzuneh¬ mende Korrekturen zur Beseitigung eines korrekturbedürfti- gen Versatzes.

Die Anschlüsse Sx , Sy , Sx ' und Sy ' sowie der Comp ^r uter

4 mit seinem Datenwandler 3 sind nur in Fig. 1 schematisch angedeutet, aber selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Figuren mit gleicher Zweckbestimmung vorge¬ sehen.

Die Fig. 2 zeigt gegenüber Fig. 1 eine andere relative Lage der Bezugsachse BA bezüglich des primären Referenz¬ strahls R , die sich durch Änderung der Lage des Objekts im Meßraum aus irgendwelchen Gründen , z.B. durch betriebs- bedingte Beanspruchungen einer das Objekt bildenden Maschi¬ ne, ergeben haben kann. Mit der Änderung der Lage der Bezugsachse BA hat sich auch die Lage der Positionsdetekto¬ ren 23,25 bezüglich des Referenzstrahls R und damit die ^e P

Lage des jeweiligen Auftreffpunktes auf der Detektorebene geändert. Die Lageänderung ist in Fig. 2 vorwiegend eine

Änderung der Winkellage. Selbstverständlich könnte es sich auch um einen reinen Parallelversatz , also eine gleichmäßige Abstandsänderung der Bezugsachse BA bezüglich des primären Referenzstrahls R oder um eine Kombination ^r P beider Versatzarten handeln. Es ist auch ersichtlich, daß Winkeländerungen sowohl in der Zeichenebene der Fig. 2 als auch senkrecht dazu, also sowohl ein Gier-Winkelver¬ satz als auch ein Stampf-Winkelversatz, eine Änderung der Lage des Auftreffpunktes A bzw. A' auf mindestens einem der beiden Positionsdetektoren zur Folge hat. Mit einer Lageänderung eines Auftreffpunktes ergeben sich auch durch die damit einhergehende Änderung der Koordinaten x, y bzw x ¹ , y ¹ entsprechende Änderungen der Signale S ,

Sy bzw. Sx' , Sy' , die der Comp ^r uter bei bekannter Distanz der Positionsdetektoren 1 und 2 von der Strahlungsquelle S zu einer entsprechenden Aussage hinsichtlich der Lage der Bezugsachse BA im Meßraum und entsprechender Korrektur¬ werte zu bearbeiten vermag.

Die Anordnung der Positionsdetektoren 23 und 25 gemäß

Fig. 1 und Fig. 2 körperlich hintereinander würde voraus¬ setzen, daß der vordere Positionsdetektor 23 für den primä-

ren Referenzstrahl R zumindest teilweise durchlässig

P ist. Dies ist technisch z.Zt. nicht einfach zu realisieren

Daher werden bei gattungsgemäßen bekannten Vorrichtungen sowie auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 3 und 5 gewöhnliche lichtundurchlässige Positionsde¬ tektoren 23, 25 in Verbindung mit der nachstehend anhand der Fig. 3 noch näher erläuterten, lediglich virtuellen Anordnung eines der beiden Positionsdetektoren in der Projektionsrichtung des primären Referenzstrahls R einge¬ setzt.

Gemäß Fig. 3 ist der Posi ionsdetektor 25 nur virtuell in Richtung des primären Referenzstrahls R hinter dem

⁶ P

Positionsdetektor 23 angeordnet, körperlich hingegen außer- halb der vom Strahlsender S ausgehenden Projektionsrich¬ tung. Der Positionsdetektor 23 ist körperlich in der vorge¬ nannten Projektionsrichtung verblieben und, wie bei dem vorhergehend besprochenen Schema, mit seiner Detektorebene zum primären Referenzstrahl R im wesentlichen senkrecht P angeordnet, wenn die Bezugsachse BA zu diesem parallel liegt .

Der Positionsdetektor 25 befindet sich an dem Objekt seit¬ lich neben dem primären Referenzstrahl R , wobei seine ^v P Detektorebene auf derjenigen des Positionsdetektors 23 senkrecht steht und gegenüber der Position gemäß Fig. 1 um eine zur Zeichenebene der Fig. 3 senkrechte Achse gedreht ist.

Bevor der Referenzstrahl R den Positionsdetektor 23 er-

P reicht, fällt er auf einen Strahlteiler 22, der aus ihm einen Teilstrahl R ' abzweigt, der senkrecht auf die Detek¬ torebene des Positionsdetektors 25 einfällt, wenn die Bezugsachse BA zu dem Referenzstrahl R parallel liegt. Der Auftreffpunkt A' des Referenzstrahls R ' entspricht in einer vorgegebenen Fluchtungs-Ausgangsposition hinsicht¬ lich seines Abstandes vom Bezugspunkt BP dem Auftreffpunkt

des Referenzstrahls R auf den Positionsdetektor 23, so daß funktionell die gleichen Verhältnisse vorliegen, wie bei dem Schema nach Fig. 1.

Durch Einschaltung von optischen Linsen 21 vor dem Teiler¬ spiegel 22 und/oder vor dem Positionsdetektor 23 und/oder vor dem Positionsdetektor 25 kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung jede beliebige virtuelle Anordnung des Positi¬ onsdetektors 25 in der von der Strahlungsquelle S ausgehen- den Pro ektionsrichtung des primären Referenzstrahls R , also entweder vor oder hinter dem Positionsdetektor 23, erreicht werden, wofür in Fig. 3 mit gestrichelten Linien drei Beispiele angegeben sind.

Durch entsprechende Gestaltung der Linsen 21 ist es auch möglich, die Detektorebenen, von der Strahlungsquelle S her gesehen, zu vergrößern und damit eine Meßbereichsan¬ passung zu erhalten.

Bei den Funktionsprinzipien gemäß Fig. 1 bis 3 wird die für den Rechner benötigte Kentnis der Entfernung der Posi¬ tionsdetektoren 23,25 von der Strahlungsquelle S unabhängig von der Meßvorrichtung auf irgendeine Weise gewonnen.

Demgegenüber eröffnet das in Fig. 4 dargestellte, gemäß der Erfindung alternativ anwendbare Meßprinzip die weitere Möglichkeit, diese Kenntnis mit der gleichen Vorrichtung zu erlangen, mit der der Parallversatz und der Gier- und Stampf-Winkelversatz festellbar sind. Dies wird gemäß Fig. 4 dadurch ermöglicht, daß zusätzlich zu dem primären

Referenzstrahl Rp noch ein sekundärer Referenzstrahl Rs in einem spitzen Winkel hierzu von der Strahlungsquelle S ausgesendet wird, wobei der Winkel und die Projektions¬ richtung für die beiden Referenzstrahlen so ausgewählt sind, daß unter allen möglichen Lagen der Bezugsachse

BA beide Referenzstrahlen auf die Detektorebene mindestens eines der Positionsdetektoren 1 und 2 auftreffen. Es ist

ersichtlich, daß bei bekannten Winkel oζ zwischen den beiden Referenzstrahlen der jeweilige Abstand der beiden

Auftreffp ^r unkte AS , Ap bzw. AS ' , Ap' in der einen bzw. anderen Detektorebene ein Maß für die Distanz des betref¬ fenden Positionsdetektors 23 bzw. 25 von der Strahlungs¬ quelle S ist, also zum einen damit die für die Rechnung benötigte Kenntnis dieser Distanz erhalten werden kann und zum anderen auch Distanzänderungen der Positionsdetek¬ toren von der Strahlungsquelle S erfaßbar sind. Darüber hinaus gestattet die sich in den Koordinaten x un y bzw. x' und y ¹ jedes der beiden Auftreffpunkte ausdrückende Richtung des Abstandes zwischen den Auftreffpunkten in jeder Detektorebene auch eine Aussage über die Winkelposi¬ tion bzw. den Drehwinkel der beiden, über das Objekt unter¬ einander starr gekoppelten Detektoren und damit der Bezugs¬ achse BP um den primären Referenzstrahl R und somit auch

P die Erfassung von Änderungen dieser Winkellage.

Die Fig. 5 zeigt schematisch eine praktische Ausführungs- form der nach dem Prinzip der virtuellen Positionsdetektor¬ flucht mit optischer Beeinflussung des wirksamen Detektor¬ abstandes gemäß Fig. 3 arbeitenden und wahlweise auch nach dem Zweistrahlprinzip gemäß Fig. 4 betreibbaren Vor¬ richtung gemäß der Erfindung, die sich durch besonders kleine Abmessungen auszeichnet und dennoch wie eine Vor¬ richtung wirkt, die ihr gegenüber wesentlich größere Detek¬ toren in einem bezüglich ihrer tatsächlichen Abmessungen sehr großen Abstand aufweist und demgemäß einen großen Meßbereich bei großer Winkel-Meßempfindlichkeit hat.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 5 sendet ein Strahlungssen¬ der S einen primären Referenzstrahl R und einen sekundären

P Referenzstrahl R 5 aus. Objektseitig weist die Vorrichtung einen starr an dem Objekt befestigbaren Meßteil 20 auf, in den die beiden Referenzstrahlen R , R _s durch eine Linse 21 hindurch eintreten. Im Meßteil 20 treffen sie zunächst auf den Teilerspiegel 22. Dieser läßt die Referenzstrahlen

R , R geradlinig zu dem ersten Positionsdetektor 23 durch, P ^s dessen Detektorebene im wesentlichen senkrecht zu dem

Referenzstrahl R ausgerichtet ist.

P Die vom Teilerspiegel 22 aus den einfallenden Referenz¬ strahlen Rp, Rs abgezweigten Teilstrahlen Rp' und Rs ' werden zu dem zweiten Positionsdetektor 25 geleitet, dessen Detektorebene etwa in der gleichen Ebene liegt wie dieje¬ nige des ersten Detektors 23. Zur Erzielung eines besonders großen virtuellen Abstandes zwischen den Positionsdetekto¬ ren 23 und 25 werden die Teilstrahlen Rp' und Rs' zunächst vom Teilerspiegel 22 schräg nach unten in Richtung entgegen der Einfallsrichtung der einfallenden Referenzstrahlen

R , R gespiegelt und dann noch einmal an einem gewöhnli- P ^s chen Umlenkspiegel 24, um geometrisch verlängert erst dann auf den Positionsdetektor 25 zu treffen, dessen Koor¬ dinatenachsen zu denjenigen des Positionsdetektors 23 im wesentlichen parallel liegen.

Die Linse 21 ist so gestaltet, daß die Positionsdetektoren 23 und 25 von dem Stahlungssender S her gesehen zum einen als gegenüber ihren tatsächlichen Abmessungen wesentlich vergrößerte und zum anderen als in einem bezüglich der Abmessungen im Meßteil 20 wesentlich größeren Abstand hintereinander angeordnete Detektoren 23', 25' in Erschei¬ nung ⁶ treten,' auf die die Referenzstrahlen Rp, Rs in der von der Strahlungsquelle S ausgehenden Projektionsrichtung unmittelbar auftreffen.

Die einzelnen Bautelemente des Meßteils 20, d.h. die Sam¬ meloptik 21, der Teilerspiegel 22, der Umlenkspiegel 24 und die Positionsdetektoren 23 und 25 sind zu einer stabi¬ len, störungssicheren Kompaktglasoptik miteinander ver¬ klebt, die insbesondere auch eine Kondensation von Wasser- dampf an den optisch aktiven Flächen ausschließt.

Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann bei Abmessungen

in der Größenordnung einer Zigarettenschachtel oder sogar kleiner mit größter Präzision die Lage eines Objektes bzw. einer festen Bezugsachse von diesem bezüglich des Referenzstrahls R ermittelt werden, und es können Lageän- derungen gegenüber einer Ausgangsposition hinsichtlich der folgenden Komponenten gesondert festgestellt werden:

a) Parallelversatz in allen Richtungen,

b) Stampf-Winkelversatz ,

c) Gier-Winkelversatz, und

d) Dreh-Winkelversatz.

Außerdem ist mit dieser Vorrichtung auch die Distanz der Detektoren von der Strahlungsquelle S und ein diesbezüg¬ licher Versatz feststellbar.

0a Positionsdetektoren in der einfachen Ausführungsform gemäß Fig. 6 in unerwünschter Weise hinsichtlich der beiden

Auftreffp ^v unkte Ap , As in j ^J eder Detektorebene vermischte elektrische Ausgangssignale liefern würden, sendet der Strahlungssender S bei Verwendung solcher oder ähnlicher Detektoren bei der Vorrichtung gemäß Fig. 5 die Referenz¬ strahlen R , R abwechselnd in rascher Folge aus, so daß P s die Koordinaten der beiden Auftreffpunkte zeitlich nachein¬ ander und damit gesondert als entsprechende elektrische Signale anfallen.

Die Figuren 6a - 6c dienen der Erläuterung der prinzipiel¬ len Wirkungsweise einer bei der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung verwendbaren Bauform eines analogen zweiachsigen photoelektronischen Halbleiter-Positionsdetektors.

Der Positionsdetektor gemäß Fig. 6a bis 6c weist eine

Deckschicht 30 aus Gold, darunter eine Verarmungszone

31 und, wiederum darunter, ein hochohmiges Substrat 32 auf, wobei der Golddeckschicht 30 ein Strom Io zug ^e eführt wird und am Substrat seitlich sowie oben und unten Kontakt¬ streifen 33 entlang des im wesentlichen quadratischen Substratquerschnitts angeordnet sind , über die der zuge¬ führte Strom Io in Teilströme aufgeteilt abfließt. Die

Aufteilung des Stromes I richtet sich nach der Stelle, an der ein Lichtstrahl auf die Gold-Deckschicht auftrifft. Bei dser dargestellten Bauform wird der zugeführte Strom I in vier Teilströme aufgeteilt, die über die einzelnen Kontaktstreifen 33 abfließen und hinsichtlich ihrer Größe von dem Abstand abhängen, den der Lichtstrahlauftreffpunkt vom Zentrum hat. Wenn der Strahl also genau in die Mitte der mit der Verarmungszone und dem Substrat deckungsglei- chen , quadratischen GoldDeckschicht auftrifft, sind die vier Teilströme untereinander gleich groß. Aus einer even¬ tuellen Stromdifferenz an den in Bezug aufeinander gegenü¬ berliegenden Paaren von Kontaktstreifen 33 sind die recht¬ winkligen Komponenten des Abstandes eines außermittigen Lichtstrahl-Auftreffpunktes von der Koordinatenmitte ables¬ bar.

Positionsdetektoren der vorstehend geschilderten Art sind neben anderen grundsätzlich geeigneten Bauformen bekannt und im Handel erhältlich.