DE102005036332A1 - Shaft positioner for machine tools has measurement system with magnetic field sensors and magnets mechanically coupled to shaft - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung zur automatischen Positionierung einer Welle, die mit einer Einstellachse einer Maschine koppelbar ist und die eine mit der Welle mechanisch gekoppelte Stellvorrichtung und ein Meßsystem zur Erfassung der Position der Welle aufweist.The The invention relates to a positioning device for automatic Positioning a shaft with an adjustment axis of a machine can be coupled and the one mechanically coupled to the shaft actuator and a measuring system for detecting the position of the shaft.
Eine derartige Positioniereinrichtung dient der Positionierung von sogenannten Einstellachsen von Maschinen, die auch als Maschinenachsen bezeichnet werden. Diese Einstell- oder Maschinenachsen sind Verstell- oder Zustellachsen, mit denen beispielsweise Werkzeuge in eine Arbeitsposition verfahren werden können. Dabei wird beispielsweise ein Maschinenschlitten, auf dem ein Werkzeug angeordnet ist, über eine Gewinnspindel bewegt.A Such positioning serves the positioning of so-called Setting axes of machines, also referred to as machine axes become. These adjustment or machine axes are adjustment or Delivery axes, with which, for example, tools in a working position can be moved. In this case, for example, a machine slide on which a tool is arranged over a profit spindle moves.
Aus
Hierdurch wird erreicht, dass bei Betriebsunterbrechungen die Information über die genaue Position der Welle nicht verloren geht und somit die Maschinenachse bei Wiederaufnahme des Betriebs nicht in eine eindeutig definierte und bekannte Referenzposition verfahren werden muß.hereby is achieved that the information about the exact position of the shaft is not lost and thus the machine axis when restarting the operation is not in a clearly defined and known reference position must be moved.
Weiter
wird in
Mittels einer derartigen Kodescheibe lässt sich zwar ein innerhalb einer vollen Umdrehung eindeutiges Feindrehwinkelsignal ableiten. Allerdings ist der messtechnische Aufwand zum Erzielen einer hohen Auflösung aufgrund der zunehmenden Anzahl von Spuren mit zugeordneten Abtastelementen sehr hoch.through Such a code disk can be although a clear rotation angle signal within a full revolution derived. However, the metrological effort is to achieve a high resolution due to the increasing number of tracks with associated sensing elements very high.
Weiter
ist aus
Geht so bei einer Betriebsunterbrechungen der Zählerstand des Feindrehwinkelzählers verloren, so muß bei Wiederaufnahme des Betriebs die Maschinenachse nach wie vor in eine eindeutig definierte und bekannte Referenzposition verfahren werden, falls hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung der Maschinenachse bestehen.going so lost in a business interruption, the count of the Feindrehwinkelzählers, so must at Resumption of operation the machine axis still in one clearly defined and known reference position are moved, if high demands on the accuracy of the positioning of the machine axis consist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Positioniereinrichtung für eine Welle anzugeben, die mit einer Einstellachse einer Maschine koppelbar ist.Of the The invention is based on the object, an improved positioning for a wave specify that can be coupled with a setting axis of a machine is.
Diese Aufgabe wird von einer Positioniereinrichtung mit einer Stellvorrichtung und einem Meßsystem gelöst, bei der das Meßsystem über eine Messeinrichtung verfügt, die einen mit der Welle mechanisch gekoppelten, drehbar gelagerten Magneten und ein oberhalb oder unterhalb des Magneten im wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse des Magneten angeordnetes Feld von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren mit einer zugeordneten Auswerteelektronik aufweist, die aus den Meßwerten der Magnetfeldsensoren die absolute Winkellage des Magneten berechnet und als Ausgangssignal bereitstellt. Die erfindungsgemäße Positioniereinrichtung weist weiter eine elektrische Steuereinrichtung auf, die dieses Ausgangssignal der Auswerteelektronik erfasst, mittels diesem die absolute Ist-Position der Welle ermittelt und basierend auf der so ermittelten absoluten Ist-Position der Welle und einer vorgegebenen absoluten Soll-Position der Welle einen Regelalgorithmus zur Nachführung der Position der Welle von der Ist-Position zu der Soll-Position mittels der Stellvorrichtung durchführt und hierbei ein Steuersignal zur Ansteuerung der Stellvorrichtung erzeugt.This object is achieved by a positioning device with an adjusting device and a measuring system, in which the measuring system has a measuring device which has a mechanically coupled to the shaft, rotatably mounted magnet and an above or below the magnet arranged substantially at right angles to the axis of rotation of the magnet field of two or more magnetic field sensors with an associated evaluation, which calculates the absolute angular position of the magnet from the measured values of the magnetic field sensors and provides as an output signal. The positioning device according to the invention further comprises an electrical control device which detects this output signal of the evaluation electronics, determined by means of this the absolute actual position of the shaft and based on the thus determined absolute actual position of the shaft and a predetermined absolute desired position of the shaft, a control algorithm for tracking the position of the shaft from the actual position to the desired position means the adjusting device performs and in this case generates a control signal for controlling the adjusting device.
Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass sich die Position der Welle ohne Verwendung eines inkrementalen Meßverfahrens jederzeit präzise bestimmen lässt und damit auch die Durchführung von zeitaufwändigen Kalibrierungsfahrten verzichtet werden kann. Auch nach einem Stromausfall oder einer Beschädigung der Positioniereinrichtung, die zu einem Verlust von internen Zählerständen führt, kann die absolute Position der Welle noch stets mit hoher Präzision ermittelt werden und der Betrieb sofort wieder aufgenommen werden.By the invention achieves the advantage that the position of the Precisely determine the shaft at any time without the use of an incremental measuring method lets and thus also the implementation of time-consuming Calibration trips can be dispensed with. Even after a power failure or damage the positioning, which leads to a loss of internal counter readings, the absolute position of the shaft is still determined with high precision and the operation will resume immediately.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bezeichnet.advantageous Embodiments of the invention are designated in the subclaims.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Magnet an einem Ende der Welle befestigt. So ist beispielsweise ein Ende der Welle mit einem Klemmring zur Kopplung mit der Einstellachse der Maschine versehen und das gegenüberliegende Ende der Welle mit einer Aufnahmevorrichtung zur Halterung des Magneten versehen. Damit befindet sich der Magnet stets in einer festen Winkellage zur Welle, so dass der negative Einfluss eines Getriebespiels auf die Meßtoleranz eliminiert werden kann.According to one preferred embodiment According to the invention, the magnet is fixed to one end of the shaft. For example, one end of the shaft with a clamping ring for Coupling with the adjustment axis of the machine provided and the opposite End of the shaft with a receiving device for holding the magnet Mistake. Thus, the magnet is always in a fixed angular position to the shaft, so that the negative influence of a gear play on the measuring tolerance can be eliminated.
Es ist jedoch auch möglich, den Magneten über ein Getriebe, beispielsweise über ein Unterssetzungsgetriebe oder Übersetzungsgetriebe mit der Welle mechanisch zu koppeln. Hierdurch kann einerseits eine Erhöhung der Auflösung (Übersetzungsgetriebe) oder eine Vergrößerung des Meßbereichs (Untersetzungsgetriebe) erzielt werden und das Meßsystem an die spezielle Anwendung angepasst werden, für die die Positioniereinrichtung vorgesehen ist. So kann dann u.U. darauf verzichtet werden, eine weitere Messeinrichtung in der Positioniereinrichtung vorzusehen.It but it is also possible the magnet over a gear, for example, over a subset or transmission gear to mechanically couple with the shaft. This can on the one hand a increase the resolution (Transmission gear) or an enlargement of the Measuring range (reduction gear) be achieved and the measuring system adapted to the particular application for which the positioning device is provided. So u.U. to be waived, another Provide measuring device in the positioning.
Vorteilhafterweise ist der Magnet als Bipolar-Magnet ausgebildet. Das Feld von Magnetfeldsensoren wird weitere vorzugsweise von einer Vielzahl von kreisförmig angeordneten Magnetfeldsensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, gebildet. Die Magnetfeldsensoren ermitteln jeweils die orthogonale Feldkomponente des von dem Bipolar-Magneten erzeugten Magnetfeldes. Mittels der Korrelation dieser Meßsignale lässt sich dann die Winkellage des von dem Magneten erzeugten magnetischen Feldes bestimmen. Prinzipiell ist es hierbei möglich, bereits mittels zwei (oder vier) rechtwinklig zueinander und in einer Ebene angeordneten Magnetfeldsensoren die X- und die Y-Komponente des Magnetfeldes zu ermitteln und hieraus dann die Winkellage des von den Magneten erzeugten Magnetfeldes zu berechnen. Durch die Erhöhung der Anzahl der Magnetfeldsensoren lassen sich sehr hohe Auflösungen erzielen, beispielsweise eine Auflösung von 0,35°, d.h. 1024 Positionen pro Umdrehung.advantageously, the magnet is designed as a bipolar magnet. The field of magnetic field sensors is more preferably arranged by a plurality of circular Magnetic field sensors, such as Hall sensors formed. The Magnetic field sensors each determine the orthogonal field component of the magnetic field generated by the bipolar magnet. By means of Correlation of these measurement signals let yourself then the angular position of the magnetic field generated by the magnet determine. In principle, it is possible here, already by means of two (or four) at right angles to each other and arranged in a plane Magnetic field sensors the X and Y components of the magnetic field to determine and from this then the angular position of the magnet calculated magnetic field. By increasing the Number of magnetic field sensors can achieve very high resolutions, for example, a resolution 0.35 °, i.e. 1024 positions per revolution.
Vorzugsweise wird in der Positioniereinrichtung neben dieser Messeinrichtung, die im Folgenden als erste Messeinrichtung bezeichnet wird, noch mindestens eine zweite, mechanisch mit der Welle gekoppelte Meßeinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung erfasst dann die Ausgangssignale beider Meßeinrichtungen und ermittelt hieraus die absolute Ist-Position der Welle. Bei der zweiten Messeinrichtung kann es sich um eine optische Meßeinrichtung handeln. Eine solche Meßeinrichtung besteht vorzugsweise aus zwei oder mehr über Untersetzungsgetriebe miteinander verbundene Kodescheiben, die mittels zugeordneter optischer Sensoren abgetastet werden. Mittels einer derartigen Meßeinrichtung lässt sich der Absolutwert der Anzahl der vollendeten Umdrehungen der Welle präzise und kostengünstig ermitteln.Preferably is placed in the positioning device next to this measuring device, which is referred to below as the first measuring device, at least a second, mechanically coupled to the shaft measuring device intended. The control device then detects the output signals both measuring devices and determines from this the absolute actual position of the shaft. In the second measuring device may be an optical measuring device. Such a measuring device preferably consists of two or more reduction gears with each other linked code disks, by means of associated optical sensors be scanned. By means of such a measuring device can be the absolute value of the number of completed revolutions of the shaft precise and cost-effective determine.
Weiter ist es jedoch auch möglich, als zweite Messeinrichtung ein analoges Meßsystem, beispielsweise bestehend aus einem Potentiometer.Further but it is also possible as a second measuring device an analog measuring system, for example, consisting from a potentiometer.
Weiter ist es auch möglich, als zweite Messeinrichtung ebenfalls einen oder mehrere drehbar gelagerte Magnete mit jeweils zugeordnetem Feld von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren und zugeordneter Auswerteelektronik zu verwenden. Der Magnet ist hierbei über ein Untersetzungsgetriebe mechanisch mit der Welle gekoppelt, so dass die Winkellage des Magneten ein Maß für die Anzahl der vollendeten Umdrehungen ist. Hierbei ist dann auch möglich, zwei und mehr drehbar gelagerte Magneten mit jeweils zugeordnetem Feld von Magnetfeldsensoren über abgestufte Untersetzungsgetriebe mit der Welle zu koppeln und so den Meßbereich der zweiten Messeinrichtung beliebig zu erhöhen.Further it is also possible as a second measuring device also one or more rotatable mounted magnets each with associated field of two or more Magnetic field sensors and associated evaluation to use. The magnet is over here a reduction gear mechanically coupled to the shaft so that the angular position of the magnet is a measure of the number of completed revolutions is. Here it is also possible, two and more rotatably mounted magnets, each with associated field from magnetic field sensors via To couple stepped reduction gear with the shaft and so on the measuring range to increase the second measuring device arbitrarily.
Vorzugsweise werden hierbei die erste Meßeinrichtung zur Erfassung der absoluten Winkellage der Welle in einem Bereich von 0–360° und die zweite Meßeinrichtung zur Erfassung eines Absolutwerts der Anzahl der vollendeten Umdrehungen der Welle verwendet. Hierzu wird die erste Meßeinrichtung derart mit der Welle mechanisch gekoppelt, dass eine Umdrehung der Welle eine Umdrehung des Magneten bewirkt. Die zweite Meßeinrichtung wird dann über ein Untersetzungsgetriebe mit der Welle gekoppelt.Preferably Here are the first measuring device for detecting the absolute angular position of the shaft in one area from 0-360 ° and the second measuring device for detecting an absolute value of the number of completed revolutions the wave used. For this purpose, the first measuring device is so with the Shaft mechanically coupled, that one revolution of the shaft one revolution of the magnet causes. The second measuring device is then on Reduction gear coupled to the shaft.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung erfasst die Steuereinrichtung neben mindestens einem von dem Meßsystem bereitgestellten Absolutwertsignals mindestens noch ein von dem Meßsystem bereitgestelltes Inkrementalsignal. Hierdurch lässt sich das Regelverhalten der Positioniereinrichtung verbessern.According to a preferred embodiment In addition to at least one absolute value signal provided by the measuring system, the control device detects at least one incremental signal provided by the measuring system. This makes it possible to improve the control behavior of the positioning device.
Vorzugsweise stellt die erste Meßeinrichtung hierzu neben einem Absolutwertsignal, das die absolute Winkellage des Magneten beschreibt, ein Inkrementalsignal bereit, das sie zusätzlich aus den Messwerten der Magnetfeldsensoren berechnet. Hierdurch lässt sich das Meßsystem besonders kostengünstig realisieren und es kann so auch u. U. vollständig auf die Implementierung einer zweiten Messeinrichtung verzichtet werden.Preferably represents the first measuring device for this purpose in addition to an absolute value signal, which is the absolute angular position of the magnet describes an incremental signal ready in addition to it calculated from the measured values of the magnetic field sensors. This is possible the measuring system especially inexpensive realize and it can also u. U. completely on the implementation a second measuring device can be dispensed with.
Die Steuereinrichtung führt basieren auf diesen unterschiedlichen Eingangssignalen hierbei bevorzugt eine zweistufige Regelprozedur durch: In einer ersten Phase ermittelt die Steuereinrichtung die absolute Ist-Position der Welle aus dem mindestens einem Absolutwertsignal. Sodann vergleicht sie die ermittelte absolute Ist-Position der Welle mit der vorgegebenen absoluten Soll-Position und ermittelt den zugeordneten Differenzwert. In einer zweiten Phase führt die Steuereinrichtung dem Regelalgorithmus den ermittelten Differenzwert als Soll-Größe sowie das mindestens eine Inkrementalsignal als Ist-Größe zu. Durch diese kombinierte Verwendung von Absolutwertsignalen und Inkrementalsignalen wird eine Verbesserung der Einregelzeit sowie eine Verringerung der benötigten Prozessorkapazitäten erzielt.The Control device leads are preferably based on these different input signals a two-stage control procedure by: Determined in a first phase the control means the absolute actual position of the shaft from the at least one absolute value signal. Then it compares the determined absolute actual position of the shaft with the specified absolute nominal position and determines the assigned difference value. In a second phase leads the Control means the control algorithm the determined difference value as a target size and the at least one incremental signal as actual size. By this combined Use of absolute value signals and incremental signals An improvement in the settling time and a reduction in the required processor capacity achieved.
Weiter ist es möglich, dass die Steuereinrichtung bei Erreichen der Soll-Größe in einer dritten Phase erneut die absolute Ist-Position der Welle aus dem mindestens einem Absolutwertsignal ermittelt und die ermittelte absolute Ist-Position der Welle mit der vorgegebenen absoluten Soll-Position vergleicht. Falls die absolute Ist-Position der Welle nicht mit der vorgehenden absoluten Soll-Position übereinstimmt, führt die Steuereinrichtung erneut die zweite Phase durch.Further Is it possible, that the control device upon reaching the desired size in a third phase again the absolute actual position of the wave from the determined at least one absolute value signal and the determined absolute actual position of the shaft with the specified absolute nominal position compares. If the absolute actual position of the shaft is not the previous one absolute target position matches, leads the Control again by the second phase.
Hierdurch wird die Präzision der Positionierung weiter verbessert.hereby will the precision the positioning further improved.
Alternativ können diese Vorteile auch dadurch erzielt werden, dass die Steuereinrichtung in einer Prüfroutine die absolute Ist-Position der Welle aus dem mindestens einen Absolutwertsignal ermittelt und als Zählerwert in einen Zähler übernimmt. In einer nachfolgenden Arbeitsphase wird der Zählerwert des Zählers gemäß dem mindestens einen Inkrementalsignal erhöht oder verringert. Die Steuereinrichtung führt hierbei dem Regelalgorithmus die vorgegebene absolute Soll-Position als Soll-Größe und den Zählerwert als Ist-Größe zu.alternative can These advantages are also achieved by the fact that the control device in a test routine the absolute actual position of the shaft from the at least one absolute value signal determined and as counter value into a counter. In a subsequent work phase, the counter value of the counter according to the at least increases an incremental signal or decreased. The control device leads in this case to the control algorithm the predetermined absolute nominal position as a target size and the count as an actual size too.
Die Prüfroutine wird hierbei vorzugsweise in regelmäßigen Abständen initiiert. Vorzugsweise wird die Prüfroutine auch dann durchgeführt, wenn der Motor der Stelleinrichtung stromlos geschaltet ist. Hierdurch kann beispielsweise von der Steuerung ermittelt werden, ob der von der Welle eingestellte Maschinenschlitten durch äußeren Krafteinfluss weggedrückt wird. Weiter kann während einer Arbeitsfahrt mittels der Prüfroutine der Schleppfehler ermittelt werden und gegebenenfalls von der Steuereinrichtung entsprechende Maßnahmen ergriffen werden oder entsprechende Fehlermeldungen generiert und ausgegeben werden.The test routine This is preferably initiated at regular intervals. Preferably becomes the test routine even then performed when the motor of the actuator is de-energized. hereby can be determined by the controller, for example, whether the of the shaft set machine carriage is pushed away by external force influence. Next can during a working trip by means of the check routine of the following error be determined and, where appropriate, by the control device corresponding activities be taken or generated and output corresponding error messages become.
Weiter wird die Prüfroutine beim Einschalten der Positioniereinrichtung oder bei Verlust des Zählerwertes, beispielsweise nach einem Spannungsabfall, initiiert.Further becomes the test routine when switching the positioning or loss of the Counter value, for example, after a voltage drop, initiated.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind die Stelleinrichtung, das Meßsystem und die Steuereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Die Positioniereinrichtung stellt damit eine eigenständige Einheit dar, die sämtliche zur Positionierung einer Maschinenachse notwendigen Komponenten kompakt in einer geschlossenen Baugruppe bereitstellt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass hierdurch eine dezentrale Steuerung und Regelung von Maschinenachsen realisierbar ist, wodurch das Regelungsverhalten verbessert und der Verkabelungsaufwand verringert wird.According to one preferred embodiment The invention relates to the adjusting device, the measuring system and the control device in a common housing integrated. The positioning device thus represents an independent unit that all Components required for positioning a machine axis compact in a closed assembly. this has in particular the advantage that thereby a decentralized control and control of machine axes can be realized, whereby the control behavior improves and the wiring effort is reduced.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter zur Hilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert.in the The invention is based on several embodiments under exemplified with the aid of the accompanying drawings.
Die
Positioniereinrichtung
Die
Positioniereinrichtung
Anhand
von
Die
Stelleinrichtung
Bei
der Stelleinrichtung
Die
Meßeinrichtung
Bei
dem Magneten
Bei
den Magnetfeldsensoren
Die
Meßeinrichtung
Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel handelt
es sich bei der Meßeinrichtung
Eine
weitere Ausführungsform
der Meßeinrichtung
Die
von der Auswerteelektronik
Weiter
ist es auch möglich,
dass zwei oder mehr Magnete mit jeweils zugeordnetem Feld von Magnetfeldsensoren
mechanisch mit der Welle
Die
Welle
Die
Stromversorgungseinrichtung
Die
Steuereinrichtung
Die
Steuereinrichtung
Basierend
auf der so ermittelten absoluten Ist-Position der Welle und der
vorgehenden absoluten Soll-Position der Welle wird nun ein Regelalgorithmus
zur Nachführung
der Position der Welle
Der
Regelalgorithmus verwendet hierbei eine PI Regler oder PID Regler,
dessen Ausgangsparameter die Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit
des Motors der Stelleinrichtung
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