DD246930B1 - Zweidimensionaler, analog umsetzender taktiler mess- und fuehrungssensors - Google Patents

Description

Ziel der Erfindung ist, sowohl für die Schweißkopfführung als auch für die Schweißfugenabtastung zur Prozeßbeeinflussung einen Meß- und Führungssensor zu entwickeln, der leistungsfähig ist sowie reproduzierbare und justierbare Rückstellbewegungen ermöglicht.

Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zweidimensionalen, analog umsetzenden taktilen Meß- und Führungssensor für die Schweißfugenverfolgung und -abtastung zu entwickeln, der eine geeignete Kraft-Auslenkungscharakteristik gewährleistet, bei definierter Ausgangsstellung eine einfache Justierbarkeit ermöglicht und bei zu starken Auslenkungen Kollisionen erkennbar macht.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß unter Verwendung von Justier- und Kollisionschutzeinrichtungen sowie unter Nutzung optoelektronischer Wandlerelemente zur Umsetzung von Auslenkungen eines Tastfingers in Steuersignale erfindungsgemäß in einem Abstand „d" von dem geometrischen Nullpunkt des optoelektronischen Wandlerelements versetzt eine Halterung drehbar befestigt ist, die den Tastfinger über eine Rückstelleinrichtung trägt und bei Auslenkungen führt, daß eine Drehvorrichtung zwischen der Halterung und dem Grundkörper einen Exzenter aufnimmt, welcher bei Drehung den Tastfinger auf einer Kreisbahn mit dem Durchmesser „2d" führt und der Tastfinger durch ein Isolierstück in zwei Segmente geteilt ist, die mit separaten Anschlüssen versehen in Verbindung mit der Halterung Schließer- und Öffnerkontakte bilden, deren Signale zusammen mit denen des optoelektronischen Wandlers logischen Schalteinrichtungen zuführbar sind. Die Rückstelleinrichtung besteht aus einer vorgespannten Druckfeder und zwei Halbelementen, wobei ein Halbelement mit dem Tastfinger und das andere Halbelement mit der Halterung starr verbunden sind. Die vorgespannte Druckfeder ermöglicht im nicht ausgelenkten Zustand des Tastfingers eine flächenhafte Berührung beider Halbelemente. Im Inneren der Halterung ist der Tastfinger mit einer Lichtquelle ausgerüstet. Der Abstand „d" entspricht dem ¹A · V !fachen Wert des Meßbereiches der Wandlerelemente.

Durch die Anordnung einer Drehvorrichtung mit Exzenter zwischen Grundkörper und Halterung wird eine einfach bedienbare Umstellung der Grundposition/Ausgangsposition für die unterschiedlichen schweißtechnischen Aufgaben realisiert. Die Drehung erfolgt um einen Punkt, der bezüglich des Arbeitsgebietes der Wandlerelemente außerhalb der Mitte liegt. Die exzentrische Ausführung der Halterung bewirkt, daß sich durch Drehung der Halterung unterschiedliche Ausgangspositionen des Taststiftes einstellen lassen, einschließlich der zentrischen Nullstellung. Die Ausführung der Taststifthalterung mittels zweier Halbelemente, die über eine vorgespannte Druckfeder zusammengedrückt sind, bewirkt, daß durch die flächenhafte Berührung reproduzierbar die Ausgangsposition eingehalten wird. Bei einseitiger Beaufschlagung des Tastfingers mit einer Kraft, die größer als die Vorspannkraft der Druckfeder ist, verkippen die Halbelemente gegeneinander und bewirken eine Auslenkung des Tastfingers, wobei vergleichsweise kleine Kräfte große Änderungen in der Auslenkung verursachen. Über zusätzliche Kontaktelemente, die zwischen dem Tastfingersystem und der Halterung angeordnet sind, werden in Verbindung mit Hilfsstromkreisen unzulässige Bewegungen des Tastfingers erfaßt und als Schaltsignale ausgegeben.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, bei dem ein taktiler Sensor mit analoger optischer Wegumsetzung beschrieben wird. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Räumliche Anordnung des taktilen Sensors

Fig.2: Kraft-Auslenkungscharakteristik

Fig.3: Exzenteranordnung

Fig. 4: Schaltungsanordnung zur Signalauswertung

Der taktile Sensor besteht aus den Baugruppen Grundkörper 1 mit dem optoelektronischen Wandlerelement 2 und einer Kompensationsschaltung 3 zum Ausgleich von Lichtintensitätsschwankungen im Inneren, einer Halterung 4, die über eine Drehvorrichtung S mit dem Grundkörper 1 verbunden ist und über die Halbelemente 6 den Tastfinger 7 trägt und bei Auslenkungen führt. Ein Halbelement 6 ist dabei mit der Halterung 4 und das andere mit dem Tastfinger 7 starr verbunden. Eine vorgespannte Druckfeder 8 bewirkt in Verbindung mit einem Ansatz in der Halterung 4 ein Zusammenpressen der beiden Halbelemente β. Die flächenhafte Berührung bewirkt eine reproduzierbare Einstellung eines Ausgangspunktes - des Nullpunktes 0. Bei Einwirkung einer Kraft auf den Tastfinger 7, die unter Berücksichtigung der Hebelverhältnisse im Vergleich zur Vorspannkraft F_v der Druckfeder 8 klein ist, erfolgt keine Auslenkung (Fig. 2). Erst bei Überschreiten der Kraftschwelle lenkt der Tastfinger 7 entsprechend der Kraft-Auslenkungscharakteristik K2 aus. Im Vergleich zu bekannten Gleichgewichtssystemen, die durch die Kraft-Auslenkungscharakteristik K1 beschrieben wird, sind die Nullpunktstabilität wesentlich verbessert (zwischen ±F_V) und die zur eigentlichen Wegumsetzung notwendigen Auslenkungskräfte F vergleichsweise gering. Im Inneren der Halterung 4 trägt der Tastfinger 7 eine Lichtquelle 9. Im entlasteten Zustand ist ihre Position zentrisch bezüglich der Halterung 4. Die Drehvorrichtung 5 möglicht durch den Aufbau nach Fig.3, daß der Ruhezustand, der Nullpunkt 0 der Rückstelleinrichtung, je nach der technologischen Aufgabenstellung des taktilen Gebers unterschiedliche elektrische Ausgangssignale bildet. Die Drehvorrichtung 5 ist außermittig um den Betrag d vom ¹A · V2fachen des analogen Meßbereichs a in Richtung der Wirkungsdiagonalen des optoelektronischen Wandlerelementes 2 versetzt um den Zentrierpunkt E drehbar am Grundkörper 1 angeordnet. Die ebenfalls außermittige Anordnung der Halterung 4 in der Drehvorrichtung 5 bewirkt, daß bei einer Drehung um jeweils 90° die Grundpositionen A, B, C, D eingenommen werden. Die Grundposition A dient dabei allgemein Positionieraufgaben, wobei zweidimensionale Auslenkungen um jeweils den halben analogen Meßbereich a erfaßbar sind. Die Grundpositionen B, D sind für die kombinierte Erfassung einer einseitigen Auslenkung um a in einer Richtung und einer

vorzeichenbehafteten um ^а/гіп der zweiten Richtung vorgesehen. In der Grundposition C ist eine Auslenkung in beide Richtungen um jeweils den gesamten analogen Meßbereich a möglich.

Zur sicheren Funktion und insbesondere zur Berücksichtigung von Störeinflüssen bei den unterschiedlichen Betriebsarten sind Baugruppen zur Überwachung im taktilen Geber untergebracht. Der Tastfinger 7 ist elektrisch durch ein Isolierstück in zwei Segmente geteilt, die mit separaten elektrischen Anschlüssen 11 versehen sind. Der obere Teil des Tastfingers 7 ist mit einem Kontaktring 10 versehen. In Verbindung mit der Halterung 4 stellt er einen Schließkontakt dar, der im Störungsfall betätigt wird. Entsprechend ist der untere Teil des Tastfingers 7 über die Halbelemente 6 ein Öffner, der bei Abheben des Tastfingers 7, was einer unzulässigen Bewegung in der 3. Dimension darstellt, anspricht. Zur Vermeidung von Fehlweisungen ist der Druckfederraum von einer Isolierhülse 12 umschlossen. Elektrisch erfolgt die Signalbildung nach Fig.4. Über die Widerstände 13 werden aus der Hilfsspannung U, die Kontaktgaben in definierte Spannungspegel umgesetzt. Die Signalgabe des Öffners wird über den Negator 14 umgewandelt und zusammen mit dem Schließersignal und einem Überwachungssignal aus der Kompensationsschaltung, das bei Verlassen des analogen Regelbereiches abgegeben wird, den ODER-Gliedern 15 zugeführt.

bzw. ein gesteuertes Abschalten im Störungsfall und andererseits eine Notabschaltung im Havariefall.

Claims (2)

1. Zweidimensionaler, analog umsetzender taktiler Meß- und Führungssensor für die Schweißfugenverfolgung und -abtastung mit definierter Kraft-Auslenkungscharakteristik, Justier- und Kollisionsschutzeinrichtung unter Nutzung von optoelektronischen Wandlerelementen zur Umsetzung von Auslenkungen eines eine Lichtquelle aufweisenden Tastfingers in Steuersignale, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand „d" von dem geometrischen Mittelpunkt des optoelektronischen Wandlerelements (2) versetzt eine Halterung (4) drehbar befestigt ist, die den Tastfinger (7) über eine Rückstelleinrichtung trägt und bei Auslenkungen führt, daß eine Drehvorrichtung (5) zwischen der Halterung (4) und dem Grundkörper (1) einen Exzenter aufnimmt, welcher bei Drehung den Tastfinger (7) auf einer Kreisbahn mit einem Durchmesser „2d" führt und der Tastfinger (7) durch ein Isolierstück in zwei Segmente geteilt ist, die mit separaten Anschlüssen versehen in Verbindung mit der Halterung Schließer- und Öffnerkontakte bilden, deren Signale zusammen mit denen des optoelektronischen Wandlers logischen Schalteinrichtungen zuführbar sind.

   Hierzu
2. 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft einen zweidimensionalen, analog umsetzenden taktilen Meß- und Führungssensor für die Schweißfugenverfolgung und -abtastung mit definierter Kraft-Auslenkungscharakteristik, Justier- und Kollisionsschutzeinrichtungen, der sich inbesondere für den Einsatz in Verbindung mit der Robotertechnik und in automatischen Schweißverbindungen mit Prozeßsteuerung eignet.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Es ist bekannt, zur automatischen Schweißkopfführung und Schweißfugenabtastung taktile Geber einzusetzen. Die einfachsten Anordnungen gehen von einer direkten mechanischen Abtastung einer Fuge, Ecke oder Kante aus, wobei über die Schwerkraft oder Federsysteme der gesamte Schweißkopf gegen die Werkstücke gedrückt wird (DD-PS 116015, DE-AS 1615451, DE-OS 2451963). Aufgrund der hohen zu übertragenden Kräfte wirken sich bei diesen Lösungen der Verschleiß und die mechanische Belastung der Bauteile negativ auf die Betriebszuverlässigkeit aus. Zur Reduzierung des Verschleißes der Empfindlichkeit wurde der Hebeimechanismus durch eine motorische Verstelleinrichtung ersetzt. Dazu ist eine Umsetzung der Auslenkungen des Tastfingers in elektrische Signale notwendig. Bekannt sind dazu Einrichtungen, die die Auslenkungen in einfache binäre Signale umsetzen, beispielsweise über Koordinatenschalter, oder analog ausgeben. Als analoge Wandler finden Potentiometer, induktive Tauchspulen, induktive Abstandssensoren, Dehnungsmeßstreifen, Piezoempfänger und optische Sensorelemente Anwendung. Konstruktiv sind die taktilen Geber derart aufgebaut, daß sie im unbelasteten Zustand eine neutrale, zentrische Nullstellung mit begrenzter Reproduzierbarkeit einnehmen (IIW-Doc.XI-K-103-79, IIW-Doc. XII-K-89-78, DD-PS 234386, DD-PS 132058, DE-OS 2346409).

   Hier sind die Tastfinger über federnde Elemente mit dem Bezugskörper verbunden, so daß die Ruhestellung einem Kräftegleichgewicht entspricht. Auch wenn wie in DE-OS 2346409 eine Anpassung der Kraft-Auslenkungscharakteristik an die Fingerlänge vorgesehen ist, ist solchen Lösungen gemein, daß die Rückstellkräfte in Nullpunktnähe verschwinden, was die Reproduzierbarkeit bei kleinen Federkonstanten stark beeinträchtigt oder bei großen Federkonstanten zu meßwertverfälschenden Rückstellkräften führt.

   Sind bei solchen Systemen die Wandlerelemente starr fixiert, ist eine Nullpunktjustierung nur über die Verschiebung der Gleichgewichtsposition des elastisch aufgehängten Fingersystems möglich. Um diesen Mangel zu beseitigen, wird in DD-PS132058 vorgeschlagen, optoelektronische Wandlerelemente auf einer Drehvorrichtung anzuordnen und somit eine Justierung zu gewährleisten. Auch in DD-PS 234386 werden die Vorteile optischer Wandlersysteme in ähnlicher Weise genutzt, indem zur Justierung die Empfängerplatine in der Ebene verschoben wird. In beiden Fällen kann die Justierung genutzt werden, um die Ruhelage des Taststiftes und die neutrale Position des optischen Wandlerelementes zur Deckung zu bringen. Eine gezielte, definierte und vor allem reproduzierbare Verschiebung beider Nullpunkte zueinander, wie es die unterschiedlichen Anwendungsbedingungen erforderlich machen, ist mit diesen Mitteln nicht möglich. Außerdem gestattet die konstruktive Umsetzung dieser Justiermöglichkeiten, die über Verstellschrauben die Lage des Empfängerträgers oder die Auslenkung eines lichtumlenkenden Prismas geringfügig verschieben läßt, keine ausreichend große Verstimmung im Sensorsystem. Einmal veränderte Einstellungen lassen sich nicht wieder gezielt reproduzieren. Eine für Prozeßsteueraufgaben wünschenswerte gezielte Asymmetrierung des Arbeitsbereiches ist somit weder vorgesehen noch möglich. Insgesamt können alle genannten Systeme nur für Kopieraufgaben vorteilhaft zum Einsatz kommen, das heißt für Anwendungsfälle mit vorzugsweise geringen Auslenkungen von der neutralen Ruhestellung. Die Widersprüchlichkeit der Forderungen nach hoher Meßgenauigkeit, geringen Verstellkräften, großem Meß- oder Auslenkungsbereich und reproduzierbarer Asymmetrierung läßt sich mit diesen Lösungen nicht beseitigen und schließt einen Einsatz als Meßsensor für Prozeßsteueraufgaben aus.