DE202008007949U1

DE202008007949U1 - Vorrichtung zur Messung und Kartographie mittels Ultraschall

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Publication number: DE202008007949U1
Application number: DE200820007949
Authority: DE
Original assignee: PROFILE CONTROLES IND; PROFILE CONTROLES INDUSTRIELS
Current assignee: PROFILE CONTROLES IND; PROFILE CONTROLES INDUSTRIELS
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2018-06-14
Also published as: ES1068648U; FR2919382A1; ES1068648Y; FR2919382B1; ITTO20080492A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung und Kartographie, aufweisend:
• einen manuellen oder automatischen Mehrfachachsen-Gelenkroboter (1) mit einem Abschlusssegment (4) und Codiergeräten,
• mindestens eine Prüfsonde (5), die fest mit dem Abschlusssegment (4) des Mehrfachachsen-Gelenkroboters (1) verbunden ist,
• Mittel zur Verarbeitung der Daten (8), beispielsweise ein zerstörungsfreies Prüfgerät, die dafür vorgesehen sind, Daten über die Position und über das Signal der Sonde (5), das an dieser Position gemessen wurde, zu empfangen und zu verarbeiten,
• Mittel zur Herstellung einer Schnittstellenverbindung (13), die für die Übertragung der Daten über die Position der Sonde (5) zwischen dem Roboter (1) und den Mitteln zur Verarbeitung der Daten (8) vorgesehen sind, die Berechnungs mittel (13) aufweisen, mit denen sich die Daten über die Winkelposition jedes einzelnen Codiergeräts, welche die Position des Abschlusssegments (4) des Mehrfachachsen-Gelenkroboters (1), mit dem die Sonde (5) fest verbunden ist, bestimmen, in kartesische Daten bezogen auf einen bestimmten Ursprung...

Description

Die Vorrichtung betrifft eine Vorrichtung zur Messung und Kartographie mittels Ultraschall oder Wirbelstrom oder dergleichen, die eine Messsonde aufweist, die auf dem zu prüfenden Teil zu platzieren ist.
Insbesondere aus dem Dokument US 6519860 ist die Herstellung einer Vorrichtung bekannt, enthaltend:

• einen Mehrfachachsen-Gelenkroboter mit einem Abschlusssegment und Codiergeräten,
• mindestens eine Sonde zur Prüfung mittels Ultraschall oder Wirbelstrom oder dergleichen, die fest mit dem Abschlusssegment des Mehrfachachsen-Gelenkroboters verbunden ist;
• Mittel zur Verarbeitung der Daten, beispielsweise ein zerstörungsfreies Prüfgerät, die dafür vorgesehen sind, Daten über die Position und über das Signal der Sonde, das an dieser Position gemessen wurde, zu empfangen und zu verarbeiten,
• Mittel zur Herstellung einer Schnittstellenverbindung, die für die Übertragung der Daten über die Position der Sonde zwischen dem Roboter und den Mitteln zur Verarbeitung der Daten vorgesehen sind, die Berechnungsmittel aufweisen, mit denen sich die Daten über die Winkelposition jedes einzelnen Codiergeräts, welche die Position des Abschlusssegments des Mehrfachachsen-Gelenkroboters, mit dem die Sonde fest verbunden ist, bestimmen, in kartesische Daten bezogen auf einen bestimmten Ursprung umwandeln lassen.

Die Anfertigung dieser Kartographien setzt voraus, dass der von der Sonde gemessene Wert für eine Gruppe von bestimmten Positionen dieses Letzten bekannt ist. Hierfür ist es notwendig, einen Zusammenhang zwischen einem Signal und einer Position der Sonde herzustellen.
Die Roboter weisen mehrere angelenkte Segmente auf, deren Bewegung relativ zu einer Mehrzahl von Funktionsachsen bewirkt wird, die über eine Steuereinheit gesteuert werden. Mit dieser Einheit lässt sich das Abschlusssegment in verschiedene Position bewegen.
Das Steuergerät ermöglicht die Erfassung und die Verarbeitung der Daten. Auf diese Weise ist es möglich, den Wert der Messung der Sonde mittels Ultraschall für eine bestimmte Position der Sonde in einem dreidimensionalen Raum aufzuzeichnen, um beispielsweise Kartographien von Messungen anzufertigen.
Die vorliegende Erfindung soll eine Vorrichtung vorschlagen, die einerseits imstande ist, Mehrfachachsen-Gelenkroboter und ein zerstörungsfreies Prüfgerät zu integrieren, das dafür vorgesehen ist, die Position der Sonde in Echtzeit zu empfangen und zu verarbeiten, andererseits aber eine verbesserte Frequenz zur Erfassung der Messungen sicherstellt, die beispielsweise im Rahmen eines Prüfvorgangs an einem Fließband verwendbar ist.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung des vorgenannten Typs, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Berechnungsmittel eine dedizierte programmierbare Logikschaltung aufweisen, insbesondere vom Typ umfassend einen programmierbaren Logikbaustein (FPGA), mit der sich die Positionen der Codiergeräte in Echtzeit verarbeiten, in kartesische Koordinaten im Raum umwandeln und formatieren lassen, bevor sie an das zerstörungsfreie Prüfgerät übertragen werden.
Diese Vorrichtungen ermöglichen es, eine Kartographie von einem Teil zu erhalten, dessen Oberfläche von einem Gelenkarm, der mit einer Sonde versehen ist, abgefahren wird, indem Gelenkkoordinaten, die von dem Roboter bereitgestellt werden, in kartesische Koordinaten umgewandelt werden, die durch das Gerät mit einer verbesserten Erfassungsfrequenz verwendet werden können.
Die Realisierung dieser Umwandlungen im Bereich der Mittel zur Herstellung einer Schnittstellenverbindung durch dedizierte Berechnungsmittel ermöglicht es, die Schnelligkeit dieses Bearbeitungsschritts zu erhöhen, der die Gesamtleistung der Vorrichtung einschränkt.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Berechnungsmittel, mit denen sich die Werte der Winkelpositionen jedes einzelnen Codiergeräts in eine kartesische Position relativ zu einem am Ausgangspunkt ortsfesten Ursprung umwandeln lassen, eine Gesamtheit von Arbeitsabläufen zur Änderung des Bezugspunktes, der den verschiedenen Gelenken des Roboters entspricht, auf.
Diese Berechnungsmittel ermöglichen die Bereitstellung einer spezifischen Schnittstellenverbindung zwischen dem Mehrfachachsen-Gelenkroboter und dem zerstörungsfreien Prüfgerät.
Vorzugsweise wird die kartesische Position der Sonde in Form von Inkrementalcodierern an das zerstörungsfreie Prüfgerät gesendet.
Diese Merkmale gestatten eine schnelle Verarbeitung der Daten, da diese Prüfgeräte für den Empfang von Daten in Form von Inkrementalcodierern optimiert sind.
Entsprechend einer Ausführungsform wird die Position der Sonde in digitaler Form, insbesondere binärer Form, über eine schnelle Verbindung an das zerstörungsfreie Prüfgerät gesendet.
Entsprechend einem Merkmal der Erfindung weist das zerstörungsfreie Prüfgerät Mittel für den Empfang der Positionsdaten, Mittel für die Verknüpfung der Positionsdaten mit dem Signal der Sonde und Mittel für die Speicherung der Positionsdaten auf.
Die Erfindung lässt sich jedenfalls besser anhand der nachfolgenden Beschreibung verstehen, die auf die beigefügte schematische Zeichnung Bezug nimmt, in der rein beispielhaft und nicht erschöpfend eine Ausführungsform dieser Vorrichtung dargestellt ist.
1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Messung und Kartographie;
2 stellte eine kinematische Kette mit drei Segmenten und zwei Gelenkachsen dar.
3 stellt die Bezugspunkte dar, die mit dem jeweiligen Segment verbunden sind und mit denen sich die Denavit-Hartenberg-Parameter bestimmen lassen.
1 stellt eine Vorrichtung dar, mit der sich eine Kartographie der Messungen an einem Teil mittels Ultraschall erhalten lässt, das geprüft oder analysiert werden soll.
Die Vorrichtung enthält einen Mehrfachachsen-Gelenkroboter 1. Der Roboter 1 weist starre Segmente 2 auf, die durch Gelenke 3 verbunden sind.
Der Roboter 1 weist an seinem oberen Ende ein Abschlussorgan 4 auf, an dessen Ende eine Sonde 5 angeordnet ist. Es ist möglich, mehrere Sonden 5 an dem Abschlussorgan 4 des Roboters 1 anzuordnen. Bei der Sonde 5 handelt es sich um eine Ultraschallsonde 5, die ein Signal erzeugt, das die Analyse eines Objekts ermöglicht. Die Sonde 5 ist mit einem zerstörungsfreien Prüfgerät 8 verbunden, an das sie die Messung überträgt.
Der Roboter 1 weist an seinem unteren Ende eine Basis 10, die beispielsweise auf einem Sockel befestigt sein kann, mit dem Zweck, die Basis 10 des Roboters 1 in ihrer Bewegung zu sperren, um zu vermeiden, dass er aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Eine schwingungsfreie Platte kann vorgesehen sein, um zu vermeiden, dass die Schwingungen eine Messabweichung in dem Messsystem bewirken.
Bei den Gelenken 3 handelt es sich um Prismagelenke oder Kugelgelenke, d. h. in der Translation oder in der Rotation entlang einer Achse beweglich. Die Anzahl der Achsen legt die Anzahl der Freiheitsgrade fest, und jedes Segment 2 verfügt über einen Bezugspunkt.
In der Nähe der Gelenke 3 sind Codiergeräte angeordnet, die dafür vorgesehen sind, die Winkelposition eines Segments 2 relativ zu dem vorangegangenen Segment 2 zu messen.
Der Roboter 1 weist Stellantriebe 3 auf. Bei einem Stellantrieb 3 kann es sich um einen Linearstellantrieb oder einen Drehstellantrieb handeln. Ein Linearstellantrieb 3 ermöglicht die Erzeugung einer Translationsbewegung und ein Drehstellantrieb 3 ermöglicht die Erzeugung einer Rotationsbewegung eines Segments 2 relativ zu einem anderen.
Die Stellantriebe 3 werden durch einen Steuerschrank 11 gesteuert. Der Steuerschrank 11 ermöglicht die Vorgabe der Winkelwerte, auf die jedes seiner Gelenke 3 jeweils positioniert werden soll. Auf diese Weise ist es möglich, die Bewegung des Abschlussorgans 4, und somit der Sonde 5, zu steuern, indem die Position sämtlicher Stellantriebe 3 auf einen bestimmten Bezugspunkt festgelegt wird, um die elementare Bewegung jedes Segments 2 zu bewirken.
Die Position der Sonde 5 hängt von der Position jedes einzelnen Gelenks 3 und insbesondere von dem Wert der Drehwinkel bei Drehgelenken und von dem Wert der Translationen bei Prismagelenken ab.
Wie in 1 veranschaulicht, weist der Roboter 1 eine Gesamtheit von Gelenken 3 auf, mit denen sich ein Volumen festlegen lässt, in dem das Abschlussorgan 4, und somit die Sonde 5, Bewegungen ausführen kann. Bei jeder eingenommenen Position nimmt die Sonde 5 eine Messung vor, deren Signal an ein zerstörungsfreies Prüfgerät 8 übertragen wird.
Mittel zur Berechnung 13 der Positionen der Gelenke 3 im Raum, die von einer programmierbaren Logikschaltung 13 gebildet sind, sind zwischen den Roboter 1 und dem zerstörungsfreien Prüfgerät 8 vorgesehen.
Die Berechnungsmittel 13 ermöglichen die Bildung einer Umwandlungsfunktion, die für die Umwandlung der Winkelkoordinaten in kartesische Koordinaten (x, y, z) vorgesehen ist.
Um die Winkelkoordinaten in kartesische Koordinaten umzuwandeln, werden die Denavit-Hartenberg-Parameter verwendet, um mit einer Mindestanzahl an Parametern die elementaren homogenen Matrizen der Umwandlungen zu bestimmen, welche den Übergang von dem Bezugspunkt, der dem Segment i des Roboters zugehörig ist, zu dem Segment i + 1, das in der kinematischen Kette folgt, zu ermöglichen.
Die Parameter hängen bei Kugelgelenken von den Drehwinkeln und bei Prismagelenken vom Wert der Translationen ab.
Die unterschiedlichen Gelenke 3 des Roboters 1, gleich, ob es sich um Kugelgelenke oder Prismagelenke handelt, zeichnen sich durch ihre Achsen aus (Translationsachse bei einem Prismagelenk, Rotationsachse bei einem Kugelgelenk).
Es wird von drei aufeinanderfolgenden Achsen, i – 1, i und i + 1, ausgegangen, die in 3 dargestellt sind.
Der mit dem Segment i verbundene Bezugspunkt (0, x_i-1, y_i-1, z_i-1) bestimmt sich wie folgt:

• die Achse z_i-1 ist mit derjenigen Achse verbunden, die dem Glied i die Bewegung verleiht,
• die Achse x_i-1 wird von der Lotrechten getragen, die den Achsen i – 1 und i gemeinsam ist, und ist in Richtung der Achse i gerichtet,
• die Achse y_i-1 ist derart gewählt, dass das Achsenkreuz gerade ist.

Die in 3 dargestellte Zeichnung geht davon aus, dass bei der Bestimmung des Bezugspunktes (0, xi, y_i, z_i) auf der Achse i + 1 dieselben Regeln angewendet wurden.
Die Matrize für den Übergang vom Bezugspunkt (0, x_i-1, y_i-1, z_i-1) zum Bezugspunkt (0, x_i, y_i, z_i) wird wie folgt ausgedrückt: An = Trans[0,0,di]·Rot[z,θi]·Trans[αi, 0,0]·Rot[x, αi]
(Der Vorgang Trans ist ein Translationsvorgang und der Vorgang Rot ist ein Rotationsvorgang).
wobei:
a_i die Länge der den Achsen i und i + 1 gemeinsamen Normalen, die als positiv angesehen wird, wenn sie von i in Richtung
i + 1 gerichtet ist, = der Abstand zwischen z_i-1 und z_i entlang von x_i.
α_i der Winkel zwischen 2 Achsen, gemessen in einer zu a_i lotrechten Ebene. Das Vorzeichen dieses Winkels ergibt sich durch die Maxwell'sche Korkenzieherregel, d. h. der Winkel zwischen z_i-1 und z_i bezogen auf xi.
d_i der Abstand zwischen 2 aufeinanderfolgenden Normalen a_i und a_i-1, gemessen entlang der Achse i, d. h. der Abstand, der zwischen x_i-1 und x_i entlang von z_i-1 gemessen wird.
Θ_i der Winkel zwischen 2 aufeinanderfolgenden Normalen, gemessen in einer zu der Achse i lotrechten Ebene, d. h. der Winkel x_i-1 und xi bezogen auf z_i-1.
Diese vier Parameter bilden die Denavit-Hartenberg-Parameter.
Die Bewegung eines Segments i wird relativ zu der Bewegung des unteren Segments i – 1, das angrenzt und in dem Bezugspunkt des unteren Segments i – 1 bestimmt wird, bestimmt.
Die kartesischen Koordinaten der Sonde werden formatiert und anschließend über die Berechnungsmittel 13 mit Hilfe einer programmierbaren Logikschaltung 13 an das zerstörungsfreie Prüfgerät 8 übertragen. Sie werden in Form von Inkrementalco dierern im Format TTL oder HTL an das zerstörungsfreie Prüfgerät 8 gesendet. Bei der Verbindung zur Ermöglichung der Übertragung der Daten handelt es sich um eine schnelle Verbindung.
Die Mittel zur Herstellung einer Schnittstellenverbindung 13 ermöglichen die Bereitstellung einer Frequenz zur Erfassung, zur Umwandlung der Daten und zur Übertragung, die höher als 2 kHz ist.
Das zerstörungsfreie Prüfgerät 8 weist Mittel für den Empfang der Positionsdaten, Mittel für die Verknüpfung der Positionsdaten mit dem Signal der Sonde und Mittel für die Speicherung der Positionsdaten auf.
Die Mittel zur Herstellung einer Schnittstellenverbindung 13 ermöglichen die Verarbeitung der Winkelpositionen jedes einzelnen Codiergeräts in Echtzeit, indem sie sie in kartesische Koordinaten im Raum umwandeln.
Diese Vorrichtung ermöglicht die Verknüpfung der Messung über Ultraschall, die durch die Sonde durchgeführt wird, mit ihrer Position in Form von kartesischen Koordinaten, die durch die Berechnungsmittel 13 bereitgestellt werden, und auf diese Weise den Erhalt einer Kartographie in einem dreidimensiona len Raum mit einer Erfassung und Verarbeitung der Daten mit mehr als 2 kHz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6519860 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Messung und Kartographie, aufweisend: • einen manuellen oder automatischen Mehrfachachsen-Gelenkroboter (1) mit einem Abschlusssegment (4) und Codiergeräten, • mindestens eine Prüfsonde (5), die fest mit dem Abschlusssegment (4) des Mehrfachachsen-Gelenkroboters (1) verbunden ist, • Mittel zur Verarbeitung der Daten (8), beispielsweise ein zerstörungsfreies Prüfgerät, die dafür vorgesehen sind, Daten über die Position und über das Signal der Sonde (5), das an dieser Position gemessen wurde, zu empfangen und zu verarbeiten, • Mittel zur Herstellung einer Schnittstellenverbindung (13), die für die Übertragung der Daten über die Position der Sonde (5) zwischen dem Roboter (1) und den Mitteln zur Verarbeitung der Daten (8) vorgesehen sind, die Berechnungs mittel (13) aufweisen, mit denen sich die Daten über die Winkelposition jedes einzelnen Codiergeräts, welche die Position des Abschlusssegments (4) des Mehrfachachsen-Gelenkroboters (1), mit dem die Sonde (5) fest verbunden ist, bestimmen, in kartesische Daten bezogen auf einen bestimmten Ursprung umwandeln lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsmittel (13) eine dedizierte programmierbare Logikschaltung aufweisen, insbesondere vom Typ umfassend einen programmierbaren Logikbaustein (FPGA), mit der sich die Positionen der Codiergeräte in Echtzeit verarbeiten, in kartesische Koordinaten im Raum umwandeln und formatieren lassen, bevor sie an das zerstörungsfreie Prüfgerät übertragen werden.
Vorrichtung zur Messung und Kartographie, nach Anspruch 1, wobei die Berechnungsmittel (13), mit denen sich die Werte der Winkelpositionen jedes einzelnen Codiergeräts in eine kartesische Position relativ zu einem am Ausgangspunkt ortsfesten Ursprung umwandeln lassen, eine Gesamtheit von Arbeitsabläufen zur Änderung des Bezugspunktes, der den verschiedenen Gelenken (3) des Roboters (1) entspricht, aufweisen.
Vorrichtung zur Messung und Kartographie, nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die kartesische Position der Sonde (5) in Form von Inkrementalcodierern an das zerstörungsfreie Prüfgerät (8) gesendet wird.
Vorrichtung zur Messung und Kartographie, nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Position der Sonde (5) in digitaler Form, insbesondere binärer Form, über eine schnelle Verbindung an das zerstörungsfreie Prüfgerät (8) gesendet wird.
Vorrichtung zur Messung und Kartographie, nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zerstörungsfreie Prüfgerät (8) Mittel für den Empfang der Positionsdaten, Mittel für die Verknüpfung der Positionsdaten mit dem Signal der Sonde (5) und Mittel für die Speicherung der Positionsdaten aufweist.
Vorrichtung zur Messung und Kartographie, nach den Ansprächen 1 bis 5, wobei es sich bei der Sonde um eine Ultraschallsonde handelt.
Vorrichtung zur Messung und Kartographie, nach den Ansprächen 1 bis 5, wobei es sich bei der Sonde um eine Wirbelstromsonde handelt.