DE9115952U1 - Vorrichtung zur zyklisch absoluten Positionsmessung an bewegten Achsen - Google Patents

Description

G 91 15 952.0 KUKA Schweißanlagen Akte: 77 2-754 er/mä 11.03.1993

BESCHREIBUNG

Vorrichtung zur zyklisch absoluten Positionsmessung

an bewegten Achsen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zyklisch absoluten Positionsmessung an bewegten Achsen mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zyklisch absolute Positionsmeßsysteme geben die Absolutposition einer Achse innerhalb eines Achszyklus an. Ist der Arbeitsbereich der Achse größer als ihr Zyklus, kann zusätzlich noch eine Erfassung der Zyklenzahl vorgenommen werden. Ein solches System ist aus der DE-OS 38 32 457 bekannt. Als Positionsgeber wird eine codierte Absolutwertscheibe verwendet, deren Codierung über einen Sensor abgetastet und als Positionssignal aufgenommen wird. Diese Anordnung ist sehr genau, erfordert aber einen gewissen baulichen und meßtechnischen Aufwand.

Aus der DE-OS 33 39 162 und der GB-PS 976 783 sind andere zyklisch absolute Positionsmeßsysteme bekannt, die ein Magnetteil an einer Marke vorbeidrehen und über einen sich ändernden magnetischen Fluß die Drehstellung einer Achse feststellen. Die Meßgenauigkeit dieser Anordnungen hängt von der genauen Einhaltung der magnetischen Eigenschaften ab, welche nicht immer auf Dauer konstant bleiben. Außerdem ist diese Anordnung durch äußere elektromagnetische Felder störanfällig und läßt sich nicht überall einsetzen.

la

la

Aus der JP 59-607 (A) ist ein weiteres Positionsmeßsystem bekannt, das mit einer Positionsscheibe und zwei halbkreisförmigen einander gegenüberliegenden Nuten arbeitet. Die Nuten befinden sich in der Stirnseite der Scheibe und haben eine veränderliche Tiefe, die von jeweils einem piezoelektrischen Fühler abgetastet wird. Bei dieser Anordnung müssen die Fühlerhalterung und die Scheibe exakt parallel zueinander ausgerichtet sein, was einen erhöhten Positionieraufwand mit sich bringt. Außerdem ist die Nutenabtastung im praktischen Betrieb durch Verschmutzung störanfällig. Die piezoelektrischen Fühler sind außerdem gegenüber äußeren Schwingungseinflüssen anfällig. Die Betriebssicherheit dieser Vorrichtung ist nicht bei allen Einsatzmöglichkeiten gewährleistet.

Die Literaturstelle "Measurement Techniques", Vol.29, 1986, H.6, S.501-505 zeigt ein Positionsmeßsytem mit optischen Meßaufnehmern in Verbindung mit einem exzentrisch an einer Achse angebrachten transparenten Markierungsring. Hier wird der sich ändernde Abstand der exzentrischen Begrenzungskreise der Markierung vom Drehmittelpunkt für die Positionsmessung herangezogen. Die Auswertung ist relativ kompliziert und bedingt eine mehrfache Sensorenanordnung und die gleichzeitige Abtastung mehrerer Kreisspuren.

Aus der DE-PS 39 21 756 ist ein weiteres mehrteiliges Meßsystem zur zyklisch absoluten Positionsbestimmung bekannt. Es weist einen Zahnkranz mit beidseits an den Stirnseiten angeordneten zahnförmigen Rampen auf, die von zwei um 180° versetzten Sensorpaaren unten und oben abgetastet werden. Diese Abtastung ist rein inkremental. Im Inneren des Zahnkranzes ist zudem noch eine rotierende Scheibe mit geneigter Stirnfläche angeordnet, die mit dem

Ib

äußeren Zahnkranz dreht. Zwei weitere Sensoren tasten die Taumelbewegung der geneigten Stirnfläche ab. Deren Signale werden mit den inkrementalen Zahnkranz-Signalen zu einem zyklisch absoluten Positionssignal kombiniert. Diese Anordnung ist aufwendig und bedingt mehrere Positionsgeber und mindestens sechs Sensoren.

Es sind ferner inkrementale Systeme bekannt, beispielsweise aus der DE-PS 23 57 061. Als Positionsgeber wird eine Zahnscheibe eingesetzt, die an einem berührungslosen Sensor vorbeigedreht wird. Dieser stellt die Zahnsprünge als inkrementale Signale fest, die in einer Auswerteschaltung gezählt werden. Zur Ermittlung des Nullpunktes ist ein besonders gestalteter Zahn vorgesehen, der bei der Abtastung ein von den anderen Zähnen unterschiedliches Signal liefert. Die Positionsbestimmung erfolgt durch Zählung der Zahnsignale ausgehend von einem Referenzpunkt beziehungsweise einer Referenzstellung der Achse. Inkrementale Systeme haben den grundsätzlichen Nachteil, daß bei einem Spannungsausfall in der Regel der Positionswert verlorengeht und damit die Achse neu referiert werden muß. Ähnliches geschieht, wenn bei

(Fortsetzung auf Seite 2 der ursprünglichen Beschreibung)

ausgeschalterer Positionsmessung die Achsstellung verändert wird und dies von der Positionsmeßvorrichtung nicht bemerkt wird.

Bekannt sind ferner noch Positionsmeßvorrichtungen, die
einen absoluten Positionswert im gesamten Arbeitsbereich
einer Achse ermitteln können. Hier kommt in der Regel ein
mehrstufiger Positionsgeber zum Einsatz, der beispielsweise aus mehreren Absolutwertscheiben besteht, die untereinander durch eine Übersetzung verbunden sind. Auch diese Systeme
bedingen durch die Codescheiben einen gewissen
konstruktiven und meßtechnischen Aufwand.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfachere
Vorrichtung zur zyklisch absoluten Positionsmessung an
bewegten Achsen anzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im
Hauptanspruch.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach aufgebaut und
besitzt zugleich eine hohe Meß- und Betriebssicherheit. Als Positionsgeber wird eine mit der bewegten Achse verbundene
Marke verwendet, die eine mit der Achsposition sich
ändernde Höhe besitzt. Diese Höhenänderung wird durch einen analogen Initiator abgetastet und als Positionssignal
aufgenommen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für beliebige Achsen
geeignet. Bevorzugt wird der Einsatz an rotatorischen
Achsen, insbesondere drehenden Wellen. Ein anderes
Einsatzgebiet sind translatorische Achsen.

Mit der erfindungsgemäßen Positionsmeßvorrichtung können
zumindest innerhalb eines Achszyklus die Achspositionen und die zurückgelegten Achswege absolut bestimmt werden. Ist

der Achsbereich nicht größer als der Achszyklus, genügt eine einstufige Positionsmeßvorrichtung. Für einen größeren Arbeitsbereich kann sie mit einer Zykluszählung ergänzt werden, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 38 32 457.1 bekannt ist. Es ist aber auch gleichfalls möglich/ die erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung mehrstufig auszubauen. Gleichfalls kann aber auch auf eine Zykluszählung verzichtet werden.

Der oder die Initiatoren sind als Abstandsmesser ausgebildet. Sie können als berührende Taster oder als berührungslose Sensoren ausgebildet sein. Bevorzugt werden berührungslose Sensoren, wobei als Positionssignal der mit der Höhenänderung der Marke sich verändernde lichte Abstand zwischen Marke und Sensor aufgenommen wird. Die Abstandssensoren haben den Vorteil, daß sie hohe Meßgenauigkeit mit niedrigen Kosten verbinden.

Die Positionsmeßvorrichtung kann ein oder mehrere Marken aufweisen. Die Marken können als umfangsseitige Schnecken und Exzenter oder als stirnseitige Stufen ausgebildet sein. Derartige Marken lassen sich leicht und einfach herstellen und bieten eine hohe Meßgenauigkeit. Vorzugsweise ändert sich die Höhe einer Marke kontinuierlich über den gesamten Zyklus der Achse. Es ist aber auch möglich, den Zyklus in mehrere Abschnitte mit eigenen Höhenänderungen zu unterteilen. Die einzelnen Abschnitte lassen sich durch Mehrfachanordnung von Marken und/oder durch Mehrfachanordnung von Initiatoren erkennen, so daß innerhalb des Zyklus ein absoluter Positionswert ermittelt werden kann.

In den Unteransprüchen sind einige vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 und 2: eine Positionsmeßvorrichtung mit einem

Initiator und eine schneckenförmigen Marke in Vorder- und Seitenansicht,

Fig. 3 und 4: eine Variante zu Fig. 1 mit zwei

Initiatoren und zwei Marken in Form eines Exzenters und einer Stufe,

Fig. 5 und 6: eine weitere Variante mit zwei Initiatoren

und einer exzenterförmigen Marke mit Positionsermittlung durch Signalüberlagerung und

Fig. 6: das zugehörige Diagramm der Ausgangssignale

der beiden Initiatoren.

In den Zeichnungen sind drei Ausführungsformen einer Positionsmeßvorrichtung (1) dargestellt, mit der die zyklisch absolute Position einer bewegten Achse (2) gemessen wird. In den gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich um eine drehende Achse (2). Sie kann, wie gezeigt, beispielsweise als Welle eines Motors (11) ausgebildet sein. Die Positionsmeßvorrichtung (1) läßt sich dadurch direkt einer Motorwelle zuordnen. Die Achse (2) kann aber auch beliebig anders ausgebildet sein, zum Beispiel als drehende Antriebsachse für ein Einzelglied einer Roboterhand oder ein anderes Bauteil eines Manipulators, insbesondere mehrachsigen Industrieroboters oder einer sonstigen Maschine. Außer für drehende Achsen (2) kann das Prinzip der Positionsmeßvorrichtung (1) auch für translatorische Achsen eingesetzt werden.

Als Positionsgeber sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Achse (2) ein oder mehrere Marken (6) zugeordnet, die mit der Achsstellung ihre Höhe ändern. Diese Höhenänderung wird von Meßaufnehmern in Form von ein oder mehreren analogen Initiatoren (3,4) aufgenommen und als Positionssignal an eine Auswerteschaltung (5) übermittelt, die hieraus die zyklisch absolute Achsposition bestimmt. Damit steht für alle Achsstellungen ein eindeutiges Positionssignal zur Verfügung.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Initiatoren (3,4) ortsfest angeordnet und die Marken (6) relativ dazu beweglich auf der Achse (2). Die Anordnung kann aber auch umgekehrt sein.

Fig. 1-6 zeigt drei verschiedene Ausführungsbeispiele für die Positionsmeßvorrichtung (1) mit variierenden Marken (6) und Initiatoren (3,4). Die Ausführungsformen sind jeweils in Vorder- und Seitenansicht dargestellt.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Marke (6) in Form einer auf dem Umfang der Achse (2) angeordneten Schnecke (7). Die Schnecke (7) überstreicht einen Winkel von 360°. Die Nullposition ist durch den Schneckensprung gekennzeichnet. Die Schnecke (7) ändert stetig und gleichmäßig ihre Höhe über dem Mantel der Achse oder Welle (2). Vorzugsweise sind die Drehrichtung der Achse (2) und die Schneckenform so aufeinander abgestimmt, daß die Schneckenhöhe über dem Drehwinkel zunimmt. Die Schneckenhöhe ist an jeder Stelle des Achsumfangs eine andere und vermittelt auf diese Weise ein zyklisch absolutes Positionssignal für die Drehstellung der Achse (2).

Bei der gezeigten Positionsmeßvorrichtung (1) genügt die Anordnung eines einzelnen Initiators (3). Der Initiator (3) ist hier, wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen als berührungsloser Sensor ausgebildet. Der Initiator (3) ist gegenüber der Achse (2) relativ ortsfest angeordnet und beispielsweise über einen Bügel am Gehäuse des Motors (11) befestigt. Er ist radial zur Achse (2) ausgerichtet. Der Sensor ist als Abstandsmesser ausgebildet. Es eignen sich beliebige Arten von Abstandssensoren, seien es kapazitive, induktive, optische oder dergleichen andere Abstandssensoren.

Der Initiator (3) ist mit Abstand gegenüber der Achse (2) und der umfangsseitigen Marke (6) beziehungsweise Schnecke (7) angeordnet. Er mißt über dem Drehwinkel der Achse (2) die Änderung des lichten Abstands (10) zur Oberfläche der Marke (6) beziehungsweise Schnecke (7). Der lichte Abstand (10) ist ein Maß für die Höhenänderung der Marke (6). Er verhält sich umgekehrt proportional zur Steghöhe der Marke (6) oder Schnecke (7) über dem Mantel der Achse oder Welle (2).

Fig. 3 und 4 zeigen eine Abwandlung mit zwei Initiatoren (3,4) und zwei Marken (6). Die eine Marke (6) ist als Exzenter (8) ausgebildet, der sich mit kontinuierlich ändernder Höhe über dem Mantel oder Umfang der Achse beziehungsweise Welle (2) erhebt. Die zweite Marke (6) besteht aus einer Stufe (9), die an der Stirnseite der Achse oder Welle (2) angeordnet ist. An die Stelle einer Stufe (9) könnte auch ein anderer Exzenter treten.

Die beiden Initiatoren (3,4) sind im rechten Winkel zueinander angeordnet und auch in Achslängsrichtung zueinander versetzt. Der obere stehende Initiator (3) tastet den Exzenter (8) ab, während der untere liegende

Initiator (4) die Stufe (9) abtastet.

Beim Exzenter (8) ist außer an den Stellen der Minimal- und Maximalhöhe die Achsposition mit nur einem Initiator (3) nicht eindeutig bestimmbar. Für alle zwischen Minimum und Maximum liegenden Exzenterhöhen gibt es jeweils zwei mögliche Achsstellungen. Zur Differenzierung und genauen Positionsbestimmung dient der zweite Initiator (4) in Verbindung mit der zweiten Marke (6), insbesondere Stufe

Die Stufe (9) liegt in der gezeigten Ausführungsform quer zur Verbindunglinie zwischen der Minimum- und Maximumstelle des Exzenters (8). Dementsprechend stehen auch die beiden Initiatoren (3,4) im rechten Winkel zueinander. Die Stufenlage und die gegenseitige Zuordnung der Initiatoren (3,4) läßt sich jedoch variieren. Beispielsweise können die beiden Initiatoren (3,4) auch einander gegenüberstehen. Die beiden Initatoren (3,4) liefern jeweils ein Positionssignal ihrer zugeordneten Marke (6) an die Auswerteschaltung, die durch Signalvergleich die exakte, zyklisch absolute Achsstellung ermittelt.

Fig. 5 und 6 zeigen eine Abwandlung von Fig. 3 und 4. Hier ist nur eine Marke (6) in Gestalt des Exzenters (8) vorhanden. Die Exzenterhöhe wird von zwei wiederum im rechten Winkel zueinander angeordneten Initiatoren (3,4) detektiert. Beide Initiatoren (3,4) befinden sich in Längsrichtung der Achse (2) auf gleicher Höhe.

Für jede Achsstellung ermitteln die beiden Initiatoren (3,4) unterschiedliche Exzenterhöhen beziehungsweise lichte Abstände (10). Jeder Initiator liefert pro Umdrehung ein sinusförmiges Ausgangssignal (eine komplette Schwingung). Durch Kombination der räumlich um 90° versetzten analogen

Signale (Sinus und Kosinus) wird eine absolute Stellungsinformation für die Achse (2) gewonnen. Fig. 7 zeigt in einem Diagramm die beiden um 90 phasenverschobenen Ausgangssignale der Initiatoren (3/4). Durch vergleichende Auswertung beider Ausgangssignale läßt sich die Achsposition wiederum zyklisch absolut bestimmen.

Die Marken (6) in Form der Schnecke (7), des Exzenters (8) und der Stufe (9) sind als entsprechend gestaltete Scheiben stirnseitig am Ende der Achse oder Welle (2) angeordnet. Alternativ können sie auch als Steg auf dem Mantel der Achse oder Welle (2) angebracht sein. In Abweichung von den gezeigten Ausführungsformen müssen sich die Schnecke (7) und der Exzenter (8) auch nicht über den gesamten Umfang oder Mantel der Achse oder Welle (2) erstrecken. Es können mehrere schnecken- oder exzenterförmige Abschnitte vorhanden sein.

Für lineare oder translatorische Achsen können die Marken die Form von keilförmigen Stegen haben, die ihre Höhe über der Achslänge kontinuierlich oder gleichmäßig verändern. Auch hier ist eine Abschnittsunterteilung/ etwa in Gestalt eines sägezahnförmigen Markenprofiles möglich. Zur Abschnittsunterscheidung können wiederum mehrere entsprechend versetzt angeordnete Marken mit entsprechender Initiatoranordnung vorgesehen sein.

Auch die Initiatoren (3,4) können variiert werden. Anstelle der gezeigten Abstandssensoren können mechanische Taster eingesetzt werden, die beispielsweise mit einer federbelasteten Kontaktstift auf die Oberfläche der Marken (6) drücken. Entsprechend der Achsstellung und Markenhöhe werden die Stifte unterschiedlich tief ein- und ausgefahren. Diese Bewegung läßt sich beispielsweise iduktiv über eine Spule oder dergleichen anderes

Erfassungssystem abtasten und als Positionssignal an die Auswerteschaltung melden.

10 STÜCKLISTE

1	Positionsmeßvorrichtung
2	Achse, Welle
3	Initiator I
4	Initiator II
5	Auswerteschaltung
6	Marke, Steg
7	Schnecke
8	Excenter
9	Stufe
10	Abstand
11	Motor

12 Ausgangssignal, Initiator I

11

Claims (8)

il SCHUTZANSPRÜCHE

1.) Vorrichtung zur zyklisch absoluten Positionsmessung an bewegten Achsen mit mindestens einem der Achse zugeordneten Positionsgeber und mindestens einem Meßaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (2) eine Marke (6) mit kontinuierlich sich ändernder radialer Höhe aufweist, die relativ zu mindestens einem analogen Initiator (3,4) beweglich ist, wobei der Initiator (3,4) die Höhenänderung der Marke (6) als Positionssignal aufnimmt.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Initiator (3,4) als berührungsloser Sensor ausgebildet ist, der mit Distanz zur Marke (6) angeordnet ist und den sich ändernden lichten Abstand (10) zur Marke (6) aufnimmt.

3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Marke (6) als umfangsseitige Schnecke (7) an einer drehenden Achse (2) ausgebildet ist.

4.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Marke (6) als umfangsseitiger Excenter (8) an einer drehenden Achse (2) ausgebildet ist.

5.) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Excenter (8) mindestens eine zweite Marke (6) zugeordnet ist.

6.) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Marke (6) als stirnseitige Stufe (9) an der Achse (2) ausgebildet ist.

7.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Initiatoren (3,4) vorgesehen sind.

8.) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Initiatoren (3,4) im Winkel versetzt zueinander angeordnet sind.