专利名称：装配站中的传感器的校正和设置方法及装配站的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在一个自动的车体或类似的组装和焊接站中的传感器的校正和设置方法，以便允许对由所述站处理的部件进行绝对的且不仅是相对的测量。本发明还涉及一种用于实现所述方法的工作站。
组装可以根据特殊的需要通过焊接、粘结、铆接、钉紧等进行。装配站例如可以是用于汽车及其部件的组装线上的焊接站。
通常，当使将该工作站作为一部分的组装线工作时，对插入件进行精密的定位设置，其在理想情况下代表需要被组装的结构的关键参考点，即，所述结构必须从其中通过的点被认为是非常好的。到目前为止，插入件形成有攫取面(通常有一个固定部分和一个面对该可动部分的互补部分)，该攫取面代表在被组装的物体的那些点处的理想形式，所述内表面通常从该部分表面的数学模型开始成形，而所述数学模型由表示其的CAD图形中获得。
然而，各种因素使得实际生产的物体的形状不够理想，并且会存在改变其最佳形状的几何误差。退化因素可能是所采用的组装技术的特点或者被归因于在工作站的最初设定之后产生的几何变化。例如，在通过焊接进行组装的情况下，例如由于电极的消耗、电流或焊接时间的变化、焊接点的位置或执行顺序的变化等等，可能会产生焊接参数的变化或漂移。其它组装方法中也可以发现类似的因素。
例如由于维护工作和/或工作站的调整、移动部件的磨损或者甚至是组装部件的物理参数的变化，如待组装部件的成分、厚度或形状等的变化均可能导致几何变化。典型地有，随着产品批次的变化而造成的由金属板压力成型的部件厚度的变化。
因此，对于各参考点被设定在产品必须落入其中的可以承受的范围，以便可以至少作为一个令人满意的部件被接受。
在现有技术中，已经提出了具有直接设置于在工作站中采用的锁定插入件中的测量装置的工作站，以便能够从插入件的锁定表面测定正在被生产的产品表面的偏差。在组装之后并且随着插入件的打开，可以在产品的点上进行相对偏差测量，其是通过如下方式定义的如果它们被精确定位则即使当插入件作为其一部分的锁定机构被打开时也应当与插入件的参考表面接触。在这种方式中，可以在工作站具有参考插入件的点上检测组装部件的结构缺陷。
与利用在完全组装好的部件的生产线的末端取样的更传统的测量相比，这无疑是前进了一步，这种更传统的测量仅当一定数目的有缺陷产品已经被生产出来时才能鉴定出缺陷，并且可能难以在生产线上的许多工作站中鉴定出应由那个工作站负责。
但是，已经发现，不可接受的结构缺陷可能落入到在锁定插入件之间的中间位置。显然，这些缺陷即不能被检测到也不能通过上述结合在装配站的插入件中的测量系统所检测。
另一方面，在插入件外部设置测量传感器使得工作站的设置和有效保持变得相当复杂。
例如，测量结果的完全采用需要它们不仅是相对型的(如仅参考从插入件的固定表面的偏差时那样)并且例如发现仅在连续测量之间的不同，而且是绝对型的并且因此例如允许在工作站中的部件的测量几何尺寸和理论或所希望的几何尺寸之间直接进行比较。然而，仅当测量探头空间中的位置的取向相对于用于几何定义的参考系已知时可以进行绝对测量。传感器的校正可能采用试样，但由于它们相对精密并且自然非常昂贵，因而这将涉及到试样的生产、储存和运输等的成本。
进而，任何可能涉及到传感器的维修工作—例如更换其中一个传感器—将涉及到需要对带有试样的工作站再次进行校正。因此，需要在工作站附近一直保存有可获得的试样，用于任何校正需要或甚至仅仅是对测量系统的有效检测。
所有这些均与现代组装线的灵活性和经济性不相协调。
本发明的另一个目的是提供一种应用上述方法的装配站。
鉴于这种目的，本发明寻求提供一种用于校正和设置用于一个自动装配站中的部件表面的绝对或相对位置测量系统的方法，以便其验证被组装部件的几何形状是否与所需的理想几何形状一致，该测量系统包括多个相对测量传感器，该传感器具有其自身应用的测量向量，并且该传感器被设置并固定在一个相连的适当几何形状的固体中的特点设置的座中，在所述固体的几何空间规格和该传感器所应用的测量向量之间建立起空间关系，所述几何形状固体被永久固定到工作站中，并且该方法包括下述步骤测量各几何形状固体相对于一个选择用于该工作站的参考系的空间位置，以便确定该固体的几何空间规格相对于所选参考系的位置；应用在所述几何形状固体和所应用的测量向量之间建立的空间关系，从所述固体的几何空间规格的测量空间位置反算出与所述固体相连的传感器的应用测量向量的位置和取向；以及，在工作站操作期间对传感器进行操作测量，将反算出的应用测量向量的位置和取向用作操作测量值的校正和设置参数。
同样根据本发明，寻求实现一种自动部件装配站，包括对待组装的部件进行相互定位和锁定的装置，组装装置连接到所述部件上；以及一个用于定位所述部件的测量系统以便确定组装部件的几何形状是否与所需的理想几何形状一致，其特征在于，该测量系统包括多个相对测量传感器，各传感器具有其自身的应用测量向量，并且该传感器被设置并固定在一个相连的具有适当几何形状的固体中的特点设置的座中，在所述固体的几何空间规格和该传感器所应用的测量向量之间建立起空间关系，所述几何形状固体被永久固定到工作站中，并且该测量系统包括第一存储器，所述第一存储器包含所述固体的几何空间规格相对于所选用于工作站的参考系的位置；第二存储器，所述第二存储器包含传感器相对于固体的预定点的零点位置；一个运算装置，该运算装置接收所述第一和第二存储器的内容，在几何形状固体和应用测量向量之间建立空间关系，并且在所述存储器内容和所述建立的空间关系的基础上校正并设置所述操作测量值，以便相对于所选用于工作站的参考系将它们从相对量转换成绝对量。
该组装装置可以采用任何已知的部件组装系统，例如铆接、焊接、粘结等。该图中以举例的形式表示具有焊接电极14的机械焊接臂。
该参考及定位装置和组装装置主要是已知类型的，并且本领域人员易于想到，不再对其作进一步的图示和说明。
该工作站还包括一个测量系统24，该测量系统24具有多个包括相对测量传感器20的测量装置15。
如从图2中可以看出的那样，各传感器具有一个所谓的测量向量19，该测量向量19，当沿测量轴向取向并且对应于增加的测量配置时，是具有与传感器零点相一致的作用点的向量。该测量向量是传感器的一个特征向量，并且与其是相对的。因此，确定传感器在测量空间中的位置与确定相对于一个参考系应用的测量向量是等价的。在一个优选实施例中，传感器为具有测量杆16的偏差检测器，所述测量杆16通过一个压缩空气供应17按指令运行以便将一个触头18静止于面对待测量部件的表面上。
各传感器被固定在一个特意设置的座21中，所述座21位于一个相关的适当几何形状的固体22中，在固体的几何空间规格和传感器的应用测量向量之间的空间关系。该几何形状固体22通过一个参考支撑件23本身被永久固定在该工作站中。
该支撑件23可以由相互精密组装装置30、例如适当的销钉分成两个部分28、29。
有利地，该几何形状固体22为圆筒形并且相应的传感器被装在其中，而应用的测量向量与圆筒形的主轴一致。同样有利地，该固体可以在一个平行于相关传感器的测量向量的方向上移动。设有移动锁定装置31。
该工作站测量系统包括第一存储器25，该第一存储器25包含各几何形状固体22的几何空间规格相对于一个被选择用于工作站的参考系统(在
图1中有参考标号38示意性地指出)的位置，参考系统例如但不必须地是一个正交的笛卡尔坐标轴。
测量系统还包括第二存储器26以及计算装置27，第二存储器26包含各传感器相对于固体22的一个预定点的零点位置，而计算装置27接收存储器中的内容、在几何形状的固体和应用的测量向量之间建立的空间关系、以及传感器的操作测量值，并且其在所述存储内容和建立的空间关系的基础上校正和设置操作测量值，将来自传感器的内容从相对于所述选择用于工作站的参考系的相对量转换成绝对量。
在工作站的操作起作用之前，需要校正和设置工作站的测量系统。为了这一目的，首先测量各几何形状固体相对于选择用于该工作站的参考系统的空间位置，以便确定选择用于所述固体的所述几何空间规格相对于所选参考系统的位置。
为了这样做，可以采用一个绝对位置测量仪器(在图1中作为整体由参考标号32表示)，该绝对位置测量仪器大体为已知类型的并且在此未作进一步的图示和说明。该测量仪器例如为便携式的，被用于读出所述固体的精确空间位置，并且并将其传送给工作站的测量系统24，用于将其存储在其存储器中。在圆筒形的情况下，可以用于用仪器32测量圆筒形的侧表面上以及所述面的至少一个上的多个适当的点，以便精确确定圆筒形的位置和取向。
因此，运算单元27可以应用所述在几何形状固体和所应用的测量向量之间建立起来的空间关系，从该固体的所述几何空间规格的测量空间位置推算出与该固体相连的传感器所应用的测量向量的位置和取向。通过现在已知的测量向量的位置和取向，可以将传感器的测量值从相对于其自身的测量轴线的相对量换算成相对于参考系统的绝对量。为了执行这一换算，可以采用用于变换坐标系的转换函数。例如，如果采用正交笛卡尔坐标系，则转换函数为Xa＝Xa0+Ls cosαxYa＝Ya0+Ls cosαyZa＝Za0+Ls cosαz其中Xa，Ya，Za＝所选择的参考系统中的绝对坐标系；Xa0，Ya0，Za0＝在测量向量相对于所选择的参考系的应用点坐标系；Ls＝传感器沿其自身测量轴线的读数；cosαx，cosαy，cosαz＝测量向量相对于所选择的参考系的方向余弦；然后，需要测量几何形状固体的表面相对于所选参考系统的空间位置并由传感器进行一个所述表面和传感器的一个建立零点之间的相对距离测量。这可以通过再次使用所述固体的几何规格来进行，以便建立所选择表面的位置。图2表示采用预置精密尺寸的L量规40，该L量规置于基座或参考件29上，对于所述测量该基座或参考件29被认为是圆筒形的一部分，而该基座的的位置相对于圆筒形是已知的。
该量规甚至可以被用于在拆卸和重组之后以相反的方式重新设置固体和传感器相对于基座或参考件29的位置。由该测量找到传感器的零点位置，该零点位置也被存储在测量系统中。因此，可以拆去带传感器的固体并且将其置于其在工作站中的位置上，而精确保持先前的位置。这使得其可以例如用已经设定好的更换来更换一个有故障的传感器或者拆除带传感器的固体，用以进行维修工作等，并且随后不需要新的设置操作使将其放回原位。
换而言之，当第一次安装传感器时，一旦其到达相对于支撑件的最终位置，则一个已知尺寸的量规，例如一个所谓的约翰逊块，被放置在确定试件的基座和传感器进行测量的点之间。该量规必须具有这样的尺寸，即，使传感器大约为其测量范围的一半。当然，覆盖传感器的整个记录范围，需要具有有限数目的量规，一个略大于n＝Lr/Ls的值，其中Lr是记录范围，Ls是传感器的测量范围。
在校正和设置之后，操作该工作站。在工作站的操作功能中，运算单元27应用相对距离测量值和所存储的应用测量向量的位置和取向作为对各传感器的操作测量校正和设置参数。
在这种方式中，该工作站可以以绝对测量的方式操作，获取被组装的部件相对于所需的理想结构的偏差的精度。偏差过大时发出信号，用以拒绝该被组装的部件或将该被组装的部件送去进行改造，以及如果需要的话发出是由于哪个工作站造成组装问题的信号，以便因此可以迅速进行维修。
如果证实一个传感器需要更换，其可以将该传感器和其参考固体拆除而不用拆去参考件29。然后，带有参考体的新传感器可以被插入并且量规被置于参考件29和传感器进行测量的点之间。此后，几何形状固体22相对于基座29运动，以便将传感器带到其工作范围的大致一半的位置处。该固体被锁定在该位置上，并且传感器读数。然后计算出测量量和首次安装时的相应测量之间的差，并且通过一个与计算差相等的量对初始校正进行纠正。所有运算可以由测量系统的运算单元进行。在这种方法中，新传感器被校正并一致地插入到绝对测量系统中，所述初始传感器位于该绝对测量系统中。
现在已经清楚，利用一个可获得的校正和设置方法和一个装配站已经实现了预定的目的，所述装配站可以精确测量被组装部件的尺寸规格。
当然，上述应用本发明创新原理的实施例的说明是以在所要求的专有权范围内的所述原理的非限定性例子的方式给出的。例如，显然传感器的数目和它们的精确设置是以支撑表面的结构和所需检测的位置误差为依据的。进而，距离测量传感器可以是任何适当类型的传感器，例如，光学传感器、电感传感器、电容传感器等。位置的设置形式和组装装置也可以根据具体的要求进行改变。
权利要求
1.一种用于校正和设置用于一个自动装配站中的部件表面的绝对或相对位置测量系统的方法，以便其验证被组装部件的几何形状是否与所需的理想几何形状一致，该测量系统包括多个相对测量传感器，该传感器具有其自身应用的测量向量，并且该传感器被设置并固定在一个相连的适当几何形状的固体中的特意设置的座中，在所述固体的几何空间规格和该传感器所应用的测量向量之间建立起空间关系，所述几何形状固体本身被永久固定到工作站中，并且该方法包括下述步骤-测量各几何形状固体相对于一个选择用于该工作站的参考系统的空间位置，以便确定该固体的几何空间规格相对于所选参考系统的位置，-应用在所述几何形状固体和所应用的测量向量之间建立的空间关系，从所述固体的几何空间规格的测量空间位置反算出与所述固体相连的传感器的应用测量向量的位置和取向，并且-在工作站操作期间对传感器进行操作测量，将反算出的应用测量向量的位置和取向用作操作测量值的校正和设置参数。
2.如权利要求1所述的方法，包括附加的步骤-测量几何形状固体的表面相对于所选参考系统的空间位置，并且使传感器对所述表面和可能插入有已知尺寸的量规的传感器的建立零点之间的距离进行相对测量，并且-还采用所述距离的相对测量值作为所述操作测量值的校正和设置参数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该几何形状固体为一个圆筒形，所述固体的几何规格包括该圆筒形的主轴，并且传感器的应用测量向量实际上与所述主轴一致的设置。
4.一种自动部件装配站，包括对待组装的部件进行相互定位和锁定的装置，组装装置连接到所述部件上；以及一个用于定位所述部件的测量系统以便确定组装部件的几何形状是否与所需的理想几何形状一致，其特征在于，该测量系统包括多个相对测量传感器，各传感器具有其自身的应用测量向量，并且该传感器被设置并固定在一个相连的适当几何形状的固体中的特意设置的座中，在所述固体的几何空间规格和该传感器所应用的测量向量之间建立起空间关系，所述几何形状固体本身被永久固定到工作站中，并且该测量系统包括第一存储器，所述第一存储器包含所述固体的几何空间规格相对于所选用于工作站的参考系统的位置；第二存储器，所述第二存储器包含传感器相对于固体的预定点的零点位置；一个运算装置，该运算装置接收所述第一和第二存储器的内容以及传感器的操作测量值，在几何形状固体和应用测量向量之间建立空间关系，并且在所述存储器内容和所述建立的空间关系的基础上校正并设置所述操作测量值，以便相对于所选用于工作站的参考系统将来自传感器的内容从相对量转换成绝对量。
5.如权利要求4所述的工作站，其特征在于，该几何形状固体是一个圆筒形并且相应的传感器被置于其中，而应用测量向量与圆筒形的主轴一致。
6.如权利要求4所述的工作站，其特征在于，该几何形状固体可在一个平行于相连的传感器测量向量的方向上移动。
7.如权利要求4所述的工作站，其特征在于，该几何形状固体被固定到工作站上，以允许在工作站的位置中被拆除并且更换同时又使其保持原位的方式，在所述位置上精确地插入参考装置。
8.如权利要求7所述的工作站，其特征在于，所述运算单元在存储于存储器中的传感器和固体的一个支撑单元之间的位置测量的基础上，纠正传感器的测量。
全文摘要
一种自动部件装配站，包括用于对待组装的部件进行定位和相互锁定的装置(11)，组装装置(13)连接所述部件，以及一个用于定位所述部件的测量系统(24)，以便确认组装部件的几何形状是否与所需的理想几何形状一致。该测量系统(24)包括多个相对测量传感器(15)，各传感器被设置并固定在一个相连的适当几何形状的固体(22)中的特意设置的座中。该测量系统具有存储器，该存储器包含所述固体的几何空间规格相对于所选择用于工作站的参考系统的位置，并且在存储器的内容的基础上，校正和设置传感器的操作测量，以便将它们从相对于所述选择用于该工作站的参考系统的相对量转换成绝对量。本发明还描述了一种校正和设置方法。
文档编号G01B7/004GK1391084SQ02123029
公开日2003年1月15日 申请日期2002年6月12日 优先权日2001年6月13日
发明者安东尼奥·雷库佩罗 申请人:先进技术有限责任公司