DE102014002670A1

DE102014002670A1 - Drehwinkelgeber

Info

Publication number: DE102014002670A1
Application number: DE102014002670.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Schautt
Original assignee: Gomtec GmbH
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2034-03-01
Also published as: WO2015128087A1; US20180328763A1; WO2015128087A4; CN106062519A; JP2017508153A; JP6594330B2; US11193799B2; CN106062519B; DE102014002670B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber zum Erfassen des Drehwinkels einer ersten drehbaren Welle, mit einer mit der ersten Welle gekoppelten ersten Marke, einer mit einer zweiten drehbaren Welle gekoppelten zweiten Marke, einer mit der zweiten Welle gekoppelten dritten Marke, einer ortsfesten vierten Marke und Mitteln zum Erfassen eines Durchgangs der dritten Marke durch eine Umgebung der vierten Marke und Mitteln zum Erfassen einer Drehwinkelkoinzidenz der ersten und der zweiten Marke.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Drehwinkelgeber. Drehwinkelgeber finden einen sehr verbreiteten Einsatz in der Antriebstechnik, um die Winkellage eines rotierenden Bauteils, z. B. einer Antriebs- oder Abtriebswelle, exakt zu bestimmen.
Es wird allgemein zwischen zwei Typen von Drehwinkelgebern unterschieden. Absolutwertgeber liefern ein Ausgangssignal, das direkt repräsentativ ist für die Winkellage eines überwachten Bauteils, d. h die Orientierung des Bauteils relativ zu einer Referenzlage. Inkrementelle Geber sind einfach und preiswert und erreichen bei gleicher Größe eine deutlich bessere Auflösung als Absolutwertgeber, sprechen aber nur auf Bewegung an. Daher eignen sie sich zwar ohne weiteres zum Messen einer Winkeländerung eines drehbaren Bauteils; um eine Winkellage zu erfassen, muss das Bauteil zunächst in der Referenzlage orientiert werden und dann die Winkeländerung von der Referenzrichtung zur interessierenden Winkellage erfasst werden.
Das Anfahren der Referenzlage ist besonders zeitraubend, wenn, wie z. B. in Patentanmeldung US 6,791,219 gezeigt, das überwachte Bauteil über ein Untersetzungsgetriebe angetrieben ist. Es genügt nicht, dass die Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes eine Referenzlage anfährt, da, wenn die Getriebeübersetzung i beträgt, dieser Referenzlage i verschiedene Lagen des überwachten Bauteils entsprechen können. Um das überwachte Bauteil selbst in eine Referenzlage zu bringen, können bis zu i Umdrehungen der Eingangswelle nötig sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfach aufgebauten Drehwinkelgeber anzugeben, der insbesondere zur Erfassung einer Winkellage eines über ein Untersetzungsgetriebe angetriebenen Bauteils geeignet ist und der nur eine geringe Drehung der Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes benötigt, um die Winkellage des Bauteils absolut angeben zu können.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Drehwinkelgeber zum Erfassen der Winkellage einer ersten Welle, mit einer mit der ersten Welle drehbaren ersten Marke, mit einer im festen Verhältnis zur ersten Welle rotierenden zweiten Welle, einer mit der zweiten Welle drehbaren zweiten Marke, mit Mitteln zum Erfassen der Winkellage der zweiten Welle und Mitteln zum Erfassen einer Drehwinkelkoinzidenz der ersten und der zweiten Marke.
Wenn die erste Welle am Ausgang und die zweite Welle am Eingang eines Untersetzungsgetriebes angeordnet sind, dann gibt es in jeder Umdrehung der ersten Welle mehrere Koinzidenzen der ersten und der zweiten Marke, und jede mögliche Winkellage der ersten Welle ist eindeutig gekennzeichnet durch ihren Winkelabstand zu einer Koinzidenz von erster und zweiter Marke und durch den Winkelabstand zu einer Konfiguration des Untersetzungsgetriebes, in der sich die zweite Welle in einer bekannten Winkellage befindet. Daher genügt es, ausgehend von einer unbekannten Winkellage der ersten Welle die Wellen so lange zu rotieren, bis sowohl Koinzidenz als auch die Winkellage der zweiten Welle erfasst worden sind, um dann die Winkellage der ersten Welle angeben zu können.
Die Mittel zum Erfassen der Winkellage der zweiten Welle können einen Absolutwertgeber umfassen, der die Winkellage unmittelbar bestimmen kann. Ein derartiger Absolutwertgeber könnte beispielsweise als Hall-Sensor mit rotierender Magnettablette ausgebildet sein, der die Winkellage der Welle aus der Richtung des sich zwischen Magnettablette und Hall-Sensor einstellenden Magnetfeldes bestimmt. Einer Rotation der Welle zur Ermittlung der Winkellage bedürfte es also nicht. Die Auflösung von Absolutwertgebern ist häufig zu gering, um unmittelbar an der ersten Welle zur Erfassung von deren Winkellage eingesetzt zu werden, und wenn ein Absolutwertgeber für sich allein an der Eingangswelle eines Untersetzungsgetriebes mit Untersetzungsverhältnis i eingesetzt wird, dann gibt es i Winkellagen der Ausgangswelle, die einer gleichen Winkellage der Eingangswelle entsprechen und nicht voneinander unterschieden werden können. Die Kombination mit den Mitteln zum Erfassen der Drehwinkelkoinzidenz erlaubt es jedoch, diese Mehrdeutigkeit aufzulösen und die Winkellage der Ausgangswelle mit einer i-fach besseren Genauigkeit zu bestimmen, als dies mit einem direkt an der Ausgangswelle angeordneten Absolutwertgeber möglich wäre.
Es genügt jedoch, wenn die Winkellage der zweiten Welle in einem Wertebereich von 0 bis 360° bestimmt werden kann. Daher können gemäß einer kostengünstigen und einfach umzusetzenden Alternative die Mittel zum Erfassen der Winkellage der zweiten Welle eine mit der zweiten Welle drehbare dritte Marke, eine ortsfeste vierte Marke und Mittel zum Erfassen eines Durchgangs der dritten Marke durch eine Umgebung der vierten Marke umfassen.
Die mit ihrer jeweiligen Welle drehbaren Marken können unmittelbar an dieser Welle montiert sein; denkbar wäre jedoch auch eine Kopplung an die Welle über ein beliebiges Hilfsgetriebe.
Sind zweite und dritte Marke mit derselben Welle gekoppelt, können sie auch identisch sein.
Die, sofern vorhanden, im Allgemeinen ortsfeste vierte Marke wird typischerweise ein Sensor sein, der geeignet ist, den Durchgang der dritten Marke durch seine Umgebung zu erfassen. Genauso kann von erster und zweiter Marke jeweils eine ein Sensor und die andere durch den Sensor erfassbar sein. Der Sensor wäre dann gemeinsam mit einer der Wellen drehbar, und es müssten Mittel vorgesehen werden, um ein Ausgangssignal des Sensors von der Welle an die Mittel zum Erfassen der Koinzidenz zu übertragen. Alternativ könnten die Mittel zum Erfassen der Koinzidenz auch einen ortsfesten Sensor umfassen, z. B. eine Lichtschranke, die nur dann von Licht getroffen wird, wenn als Löcher ausgebildete erste und zweite Marken überlappen.
Vorteilhafterweise ist die als Sensor ausgebildete Marke ein Magnetfeldsensor und die zu erfassende Marke ein Magnet.
Wenn von der dritten und von der vierten Marke die eine ein Sensor und die andere durch den Sensor erfassbar ist, dann sollte die Ausgabe des Sensors eine periodische Funktion des Drehwinkels der zweiten Welle sein, wobei eine Grundperiode der Funktion einer Umdrehung der zweiten Welle entsprechen sollte. Dadurch ist sichergestellt, dass der Durchgang der dritten Marke im Signal eindeutig erkennbar ist, auch wenn das Signal mit weiteren Informationen oder Rauschen behaftet ist, oder dass, wenn weitere Marken vorhanden sind, deren Durchgang durch die Umgebung der vierten Marke von einem Durchgang der dritten Marke eindeutig unterschieden werden kann.
Das bereits oben erwähnte, erste und zweite Welle aneinander koppelnde Getriebe kann selbst Teil des Drehwinkelgebers sein.
Vorzugsweise ist das Getriebe als formschlüssiges Getriebe ausgebildet, das zwischen der ersten und zweiten Welle eine schlupffreie Übertragung ermöglicht.
Vorzugsweise ist das Getriebe als Untersetzungsgetriebe ausgebildet, so dass die Ausgangswelle des Getriebes entsprechend der Getriebeübersetzung langsamer dreht als die Getriebeeingangswelle.
Das Getriebe kann von beliebiger Bauart sein. Für den Einbau z. B. in einem Roboterarm bevorzugt sind Getriebe mit axialsymmetrischem Aufbau oder Hohlradgetriebe. Bei derartigen Getrieben, beispielsweise Planetengetrieben oder Gleitkeil- bzw. Harmonic-Drive^®-Getrieben, weist ein Getriebeelement eine Innenverzahnung auf, mit der eine Verzahnung eines weiteren Getriebeelements kämmt. Das Hohlrad kann fest mit einem Gehäuse des Getriebes verbunden sein; dies erlaubt insbesondere einen platzsparenden Einbau in einem Roboterarm.
Das Planeten- oder Harmonic-Drive-Getriebe arbeitet vorzugsweise im Zweiwellenbetrieb, wobei zwei seiner Wellen als erste und zweite Welle des Drehwinkelgebers fungieren und die dritte Welle feststeht.
Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite Welle koaxial ausgerichtet. In diesem Fall können Stirnflächen der beiden Wellen einander gegenüberliegen, wobei an die eine Stirnfläche die erste Marke und an die andere Stirnfläche die zweite Marke angeordnet werden kann. Somit erreicht man eine besonders bauraumoptimierte Anordnung. Eine umständliche Befestigungskonstruktion kann daher entfallen.
Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes, d. h. die Zahl der für eine Umdrehung der ersten Welle erforderlichen Umdrehungen der zweiten Welle ist mit i bezeichnet, wobei ein positiver Wert von i für gleichsinnige, ein negativer Wert für gegensinnige Drehung der beiden Wellen steht.
Wenn von der ersten und von der zweiten Marke, wie oben bereits erwähnt, die eine ein Sensor und die andere durch den Sensor erfassbar ist, dann sollte die Ausgabe des Sensors eine periodische Funktion des Drehwinkels der ersten Welle sein, wobei, um eine Koinzidenz eindeutig erkennen zu können, |i – 1| Grundperioden dieser Funktion auf eine Umdrehung der ersten Welle entfallen sollten.
Ferner umfasst der Drehwinkelgeber vorteilhafterweise eine Auswerteeinheit zum Empfangen eines Koinzidenzsignals von den Mitteln zum Erfassen einer Drehwinkelkoinzidenz und eines Durchgangssignals von den Mitteln zum Erfassen eines Durchgangs und zum Ermitteln einer Winkelposition anhand eines zwischen Empfang des Koinzidenzsignals und des Durchgangssignals zurückgelegten Drehwinkels.
Zur Bestimmung eines relativen Drehwinkels der zweiten Welle umfasst der Drehwinkelgeber einen entsprechenden Sensor. Die Erfassung des relativen Drehwinkels kann indirekt, an der ersten Welle, oder vorzugsweise direkt an der zweiten Welle erfolgen. Als Sensor kann beispielsweise ein Inkrementalgeber verwendet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, sofern die Mittel zum Erfassen der Winkellage der zweiten Welle einen Absolutwertgeber umfassen, diesen gleichzeitig zur Bestimmung des relativen Drehwinkels zu nutzen.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelgeber findet vorzugsweise Anwendung in einem Roboter. Der Roboter kann wenigstens zwei gegeneinander schwenkbare Armabschnitte umfassen, von denen einer mit der ersten Welle und der andere mit dem Gehäuse des Getriebes drehfest verbunden ist, so dass mittels des Drehwinkelgebers die Stellung des Roboters exakt bestimmt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen Roboter,
2 einen schematischen Aufbau eines Drehwinkelgebers,
3 teilweise dargestellte Leiterbahnen eines Resolvers,
4 einen schematischen Aufbau eines Drehwinkelgebers in einer alternativen Ausführungsform,
5 einen schematischen Aufbau eines Drehwinkelgebers mit einem Harmonic-Drive^®-Getriebe,
6 eine Prinzipskizze des Drehwinkelgebers,
7 ein Diagramm zur Ermittlung des Drehwinkels aus einem Signal,
8 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens des Drehwinkelgebers,
9 ein Diagramm mit Koinzidenzsignalen und Durchgangssignalen, aufgetragen über dem Drehwinkel einer Eingangswelle für ein Getriebe mit gleichsinniger Drehrichtung von Eingangs- und Ausgangswelle,
10 ein Diagramm mit Koinzidenzsignalen und Durchgangssignalen, aufgetragen über dem Drehwinkel einer Eingangswelle für ein Getriebe mit gegensinniger Drehrichtung von Eingangs- und Ausgangswelle.
1 zeigt einen Roboter 100. Der Roboter 100 umfasst mehrere jeweils schwenkbar miteinander verbundene Armabschnitte, hier einen Fuß 101, einen Unterarm 103, einen Oberarm 105, ein Instrument 107 und drei Winkelstücke 102, 104 106. Jedes Winkelstück 102, 104 106 ist um zwei zueinander orthogonale Achsen 110 schwenkbar mit zwei angrenzenden Armabschnitten 101 und 103, 103 und 105 bzw. 105 und 107 verbunden. Das Instrument 107 kann seinerseits ein Winkelstück 108 umfassen, das einen Schaft und einen Endeffektor 109 des Instruments 107 gelenkig verbindet. In der gezeigten Konfiguration des Roboters stehen drei der Achsen 110 auf der Zeichnungsebene senkrecht, weitere Achsen verlaufen insbesondere jeweils in Längsrichtung der Armabschnitte 101, 103, 105.
2 zeigt schematisch einen Drehwinkelgeber 1 und dessen Umgebung. Ein solcher Drehwinkelgeber 1 kann an jeder einzelnen Achse 110 des Roboters 100 vorgesehen sein. Exemplarisch wird im Folgenden der Fall betrachtet, dass der Drehwinkelgeber 1 zwischen dem Fuß 101 und dem unteren Winkelstück 102 angeordnet ist, um die azimutale Orientierung des Unterarms 103 zu überwachen.
Ein Motor 23 ist mit einem Gehäuse 20 des Winkelstücks 102 fest verbunden, um eine Eingangswelle 21 des Drehwinkelgebers 1 anzutreiben. An der Eingangswelle 21 ist eine kreisrunde Scheibe 22 angebracht. Die Scheibe 22 trägt zwei Marken 2, 3, hier in Form von zwei Magneten 6, 7 oder in Form eines einzigen Magneten, dessen Magnetfeld sich auf beiden Seiten der Scheibe 22 ausdehnt. Eine weitere Marke 4 ist durch einen Sensor 8, z. B. einen Hall-Sensor, gebildet, der am Gehäuse 20 in einer festen Position montiert ist, um im Laufe jeder Umdrehung der Eingangswelle 21 einmal den Durchgang des Magneten 6 zu erfassen.
Ein inkrementeller Geber 10 umfasst einen gehäusefesten Sensor 11 und eine Vielzahl von am Umfang der Scheibe 22 gleichmäßig verteilten und von dem Sensor 11 erfassbaren Marken 12.
Sobald der Sensor 8 einen Durchgang des Magneten 6 erfasst, ist die Winkellage der Eingangswelle 21 bekannt, und ihre weitere Drehung kann anhand der vom inkrementellen Geber 10 gelieferten Impulse quantitativ verfolgt werden. Zu demselben Zweck können der Sensor 8 und der inkrementelle Geber 10 auch durch einen einzigen Absolutwertgeber ersetzt werden. Wenn dessen Ausgangssignal einen vorgegebenen Wert annimmt, z. B. durch Null geht, kann dies mit der Erfassung des Durchgangs gleichgesetzt werden; anhand der weiteren Entwicklung des Ausgangssignals kann die weitere Drehung der Welle 21 überwacht werden.
An einem fliegend gelagerten Ende der Eingangswelle 21 befindet sich ein Sonnenrad 27 eines Planetengetriebes 10. Ein Hohlrad 30 des Planetengetriebes 10 ist fest mit dem Gehäuse 20 verbunden. Von einem Träger 28 gehaltene Planetenräder 29 kämmen mit dem Sonnenrad 27 und dem Hohlrad 30. Der Träger 28 ist mit einer Ausgangswelle 24 fest verbunden. Je i Umdrehungen der Eingangswelle 21 treiben eine Umdrehung der Ausgangswelle 24 an.
Der Träger 28 hat mehrere Achszapfen, an denen jeweils eines der Planetenräder 29 gelagert ist. Einer dieser Achszapfen trägt an seiner der Scheibe 22 zugewandten Spitze eine Marke 5 in Form eines weiteren Sensors 9, der eingerichtet ist, den Magneten 7 zu erfassen, wenn dieser ihm in geringem Abstand gegenüberliegt.
Am Träger 28 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Marken 13 bilden zusammen mit einem gehäusefesten Sensor 14 einen weiteren inkrementellen Geber 15.
Die Ausgaben der Sensoren 8, 9, 11, 14 werden von einer Auswerteeinheit 25 empfangen. während die Auswerteeinheit 25 mit den am Gehäuse 20 ortsfesten Sensoren 8, 11, 14 fest verdrahtet sein kann, ist für die Kommunikation mit dem Sensor 9 ein Schleifring oder eine Funkschnittstelle 26, z. B. eine RFID-Schnittstelle vorgesehen. Die RFID-Schnittstelle ermöglicht nicht nur die Übertragung einer Ausgabe des Sensors 9 zur Auswerteeinheit 25, sondern auch die Versorgung des Sensors 9 mit Betriebsenergie.
Im hier betrachteten Fall ist die Auswerteeinheit 25 auch mit dem Motor 23 verbunden und steuert dessen Drehung. Da die Auswerteeinheit 25 somit die Drehrichtung des Motors 23 „kennt”, kann sie den seit einem willkürlich festgelegten Anfangszeitpunkt zurückgelegten Drehwinkel ermitteln, indem sie die von einem der Sensoren 11, 14 seit diesem Anfangszeitpunkt gelieferten Signalimpulse je nach Drehrichtung auf- oder abwärts zählt. In diesem Fall ist einer der beiden inkrementellen Geber 15, 10 redundant und kann entfallen, ohne dass dies die Funktion des Roboters 100 beeinträchtigt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den inkrementellen Geber 15 und/oder 10 durch Resolver zu ersetzen. Ein derartiger Resolver ist schematisch in 3 angedeutet; er umfasst eine mit der zu überwachenden Welle drehbare, z. B. auf der Scheibe 22 um eine zur Welle 21 koaxiale Kreisbahn mit einer ganzen Zahl n von Perioden oszillierend verlaufende Leiterbahn 16 und zwei ortsfeste Leiterbahnen 17, 18, die mit gleicher Zahl n von Perioden wie die Leiterbahn 16, aber um eine Viertelperiode gegeneinander phasenversetzt oszillierend verlaufen. Ein Wechselstrom auf der Leiterbahn 16 induziert eine Wechselspannung in den Leiterbahnen 17, 18, deren Amplitude vom Phasenversatz zwischen den Leiterbahnen 16, 17 und 18 abhängt. Jede einzelne Periode 19 der Leiterbahn 16 kann hier mit einer der oben erwähnten Marken 13 oder 12 gleichgesetzt werden, die, wenn sie exakt gleichphasig zu einer der als Sensor 11 oder 14 fungierenden Leiterbahnen 17, 18 liegt, in dieser eine maximale Spannung induziert. Bei jeder 360°-Umdrehung der Leiterbahn 16 tritt n-mal eine solche Phasengleichheit auf, so dass wie bei einem herkömmlichen inkrementellen Geber pro Umdrehung n Impulse abgeleitet werden können. Da die induzierten Amplituden kontinuierlich mit der Winkellage veränderlich sind, kann aber auch zwischen zwei Phasengleichheitsstellungen die Winkellage quantitativ abgeschätzt werden.
4 zeigt einen schematisierten Drehwinkelgeber 1 mit einer alternativen Anordnung der ersten und zweiten Marke 3, 5. Diese Variante eignet sich speziell, wenn die erste und zweite Welle 21, 24 so angeordnet sind, dass sich deren Stirnseiten gegenüberliegen. Dann kann die Marke 5 auf der Stirnseite der ersten Welle 24 und die Marke 3 auf der Stirnseite der zweiten Welle 21 montiert sein, wodurch sich eine höhere Kompaktheit erzielen lässt. Welche der Marken 3, 5 hier Sensor ist und welche vom Sensor erfasst wird, ist hier ohne Belang. Der übrige Aufbau kann analog zu 2 gestaltet sein.
5 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des in 4 gezeigten Drehwinkelgebers 1, bei dem das Planetengetriebe durch ein Harmonic-Drive^®-Getriebe ersetzt wurde. Am Ende der zweiten Welle 21 befindet sich ein „Wave Generator” 32, der einen sogenannten „Flexspline” 33 antreibt. Eine Außenverzahnung 33' des „Flexspline” 33 kämmt mit der Innenverzahnung eines Hohlrads 30. Ein Träger 28 stellt eine drehfeste Verbindung zwischen „Flexspline” 29 und erster Welle 24 her. Analog zu 4 kann wiederum der Sensor 7 auf der Stirnseite der ersten Welle 24 und der Magnet 6 auf der Stirnseite der zweiten Welle 21 bzw. am Träger 28 (oder umgekehrt) angeordnet sein.
6 zeigt den Drehwinkelgeber 1 in einer Prinzipsskizze zur näheren Erläuterung der Funktionsweise der Erfassung eines Durchgangs sowie einer Drehwinkelkoinzidenz. Die Figur zeigt die erste und zweite Welle 21, 24 in koaxialer Anordnung in einer axialen Ansicht. Die beiden Wellen 21, 24 nehmen jeweils eine Winkellage ein, bei der die Marken 2 und 4 aufeinandertreffen und gleichzeitig die Marken 3 und 5 aufeinandertreffen (siehe Marken mit durchgezogenem Strich). D. h. es liegen ein Durchgang und eine Drehwinkelkoinzidenz zugleich vor. Diese Lage definiert eine Referenzlage der ersten Welle 24; ein Drehwinkel ω₁ der ersten Welle 24 kann als Abweichung von dieser Referenzlage angegeben werden Entsprechend kann auch ein Drehwinkel ω₂ der zweiten Welle 21 als Abweichung von der Referenzlage angegeben werden.
Die Auswahl der gezeigten Stellung als Referenzlage ist rein willkürlich und ihrer leichten Erkennbarkeit geschuldet; grundsätzlich kann jede andere Winkellage der Wellen 21, 24 auch als Referenzlage festgelegt werden.
Rotiert die zweite Welle 21 um die Rotationsachse 110, so rotiert die erste Welle 24 entsprechend der Getriebeübersetzung i mit. Je nach Bauart des Getriebes 10 kann die erste Welle 24 gleichsinnig zur Welle 21 rotieren (d. h. i ist positiv) oder gegensinnig (d. h. i ist negativ). Rotieren beide Wellen gleichsinnig, z. B. im Uhrzeigersinn, so trifft die dritte Marke 2 wieder auf die vierte Marke 4, wenn die zweite Welle 21 eine volle Umdrehung durchlaufen hat. Der Durchgang der dritten Marke 2 durch die Umgebung der vierten Marke 4 wird durch geeignete Mittel wie etwa die als Sensor 8 ausgebildete vierte Marke 4 erfasst, und ein Durchgangssignal S_D wird an die Auswerteeinheit 25 übertragen. Bei jeder weiteren vollen Umdrehung wird wiederum ein Durchgangssignal S_D erfasst.
Die auf der ersten Welle 24 befindliche erste Marke 5 hat sich nach einer vollen Umdrehung der zweiten Welle 21 gemäß ω₂ = i·ω₁ um den i-ten Teil einer vollen Umdrehung weitergedreht. Folglich wird das nächste Koinzidenzsignal S_K erfasst, wenn die auf der zweiten Welle 21 befindliche zweite Marke 3 die auf der ersten Welle 13 befindliche erste Marke 5 einholt (vgl. gestrichelte Marken in 6). Die Koinzidenz der Marken 3, 5 wird durch geeignete Mittel, wie etwa die als Sensor 9 ausgebildete erste Marke 5 erfasst und ein Koinzidenzsignal S_K wird an die Auswerteeinheit 25 übertragen. Dieses Prinzip setzt sich mit weiterer Rotation der beiden Wellen entsprechend fort, bis sich wieder eine Referenzlage der ersten Welle 24 einstellt.
Rotieren beide Wellen 21, 24 gegensinnig, z. B. die erste Welle 24 im Uhrzeigersinn und die zweite Welle 21 gegen den Uhrzeigersinn, so wird ausgehend von der Referenzlage zuerst eine Drehwinkelkoinzidenz eintreten (gestrichelte Marken), bevor die dritte Marke 5 auf die vierte Marke 4 trifft.
Idealerweise sind die Signale S_K, S_D impulsförmig, d. h. der Winkelbereich, in dem sie durch Abweichen von einem Ruhewert einen Durchgang bzw. eine Koinzidenz anzeigen, ist so klein, dass er als punktförmig aufgefasst werden kann. In der Praxis ist dies oft nicht der Fall; stattdessen können die Winkelbereiche, in denen sie vom Ruhewert abweichen, um ein Mehrfaches größer sein als die Winkelabstände zwischen den Marken 12 oder 13, so das, während eines Durchgangs bzw. einer Koinzidenz mehrere Impulse von den Sensoren 11 oder 14 der inkrementellen Geber 11 bzw. 15 kommen können.
7 zeigt exemplarisch einen solchen Verlauf des Signals S_K als Funktion des Drehwinkels ω der Welle 21 oder 24, wobei die Impulse des inkrementellen Gebers 11 oder 15 durch schmale vertikale Striche beiderseits eines Maximums von S_K bei ω_S symbolisiert sind.
Im einfachsten Fall legt die Auswerteeinheit 25 eben diesen Winkel des Signalmaximums als Koinzidenzwinkel fest.
Alternativ kann die Auswerteeinheit 25 den Flächenschwerpunkt FSP der Fläche ermitteln, die unter der Kurve S_K und über einer willkürlich festlegbaren Geraden S₀ liegt. Der eindeutige Winkel ω_S ergibt sich dann aus dem Winkelwert des Flächenschwerpunkts FSP; dieser kann allgemein berechnet werden zu
wobei die Integrale jeweils von einem Kreuzungspunkt der Kurve S_K mit der Geraden S₀ zum anderen laufen. Somit kann zu jedem Koinzidenzsignal S_K und zu jedem Durchgangssignal S_D ein eindeutiger Winkel ω_S bestimmt werden.
Folgender Teil der Beschreibung erläutert nun das Verfahren zur Bestimmung der Winkellage der ersten Welle 24 in Bezug zur Referenzlage. Die einzelnen Schritte des Verfahrens sind in 8 gezeigt. 9 zeigt ein Diagramm, in dem die sich über den Drehwinkel ω ergebenden Durchgänge und Drehwinkelkoinzidenzen für einen Drehwinkelgeber mit einer beispielhaft gewählten Getriebeübersetzung i = 15 dargestellt sind. Auf der Ordinate des Diagramms ist ausgehend von der Referenzlage 47 die Anzahl j der vollen Umdrehungen der zweiten Welle 21 aufgetragen. Auf der Abszisse ist der Winkelbereich ω einer vollen Umdrehung aufgetragen und reicht von 0° bis 360°. Für die Referenzlage gilt j = 0, ω = 0. Hat die zweite Welle 21 ausgehend von der Referenzlage 47 eine volle Umdrehung vollführt, wird bei j = 1, ω = 0 wieder ein Durchgangssignal erfasst. Die Wellen rotieren weiter, wobei nun die erste Welle 24 von der zweiten Welle 21 eingeholt wird und es bei j = 0, ω = 360°/(i – 1) = ca. 25,7° zu einer Drehwinkelkoinzidenz kommt. Durchgangssignale treten jeweils bei ω = 0 auf; weitere Drehwinkelkoinzidenzen gibt es jeweils bei j = n, ω = n·360°/(i – 1).
Das Verfahren wird von der Auswerteeinheit 25 durchgeführt. Zu Beginn des Verfahrens ist die Winkellage ω₁ der ersten Welle 24 unbekannt, sie kann z. B. dem Punkt 40 oder 44 in 9 entsprechen; ebenso ist die Winkellage ω₂ der zweiten Welle 21 unbekannt. Das Verfahren startet mit Schritt S1. In Schritt S1 wird überprüft, ob ein Durchgangssignal S_D vorliegt. Liegt kein Durchgangssignal S_D vor, wird in Schritt S2 überprüft, ob ein Koinzidenzsignal S_K vorliegt. Liegt auch kein Koinzidenzsignal S_K vor, wird die erste Welle 24 rotiert (Schritt S3), und die Abfragen der Schritte S1 und S2 wiederholt, bis ein Durchgangssignal S_D (Schritt S1) oder ein Koinzidenzsignal S_K (Schritt S2) empfangen wird.
Wird in Schritt S1 ein Durchgangssignal S_D empfangen, wird mit Schritt S4 überprüft, ob gleichzeitig ein Koinzidenzsignal S_K vorliegt.
Trifft dies zu, so stimmt die Winkellage ω₁ der auf der ersten Welle 24 befindlichen ersten Marke 5 mit der vierten Marke 4 überein. Die erste Welle 24 befindet sich somit in ihrer Referenzlage 47. Die Auswerteeinheit 25 bestimmt daher in Schritt S5 den Drehwinkel der ersten Welle 24 zu Null (ω₁ = 0), und das Verfahren endet.
Wurde in Schritt S1 ein Durchgangssignal S_D, 41, jedoch in Schritt S4 kein zeitgleiches Koinzidenzsignal S_K empfangen, dann wird in Schritt S6 ein Zähler initialisiert. Die Auswerteeinheit 25 misst daraufhin den Drehwinkel der rotierenden zweiten Welle 21 (Schritt S7), indem sie jeweils bei Empfang eines Impulses von dem Inkrementalgeber 10 den Zähler inkrementiert. Die Auswerteeinheit beendet die Messung, sobald ein Koinzidenzsignal S_K, 42 empfangen wird (Schritt 8). Der Wert α des Zählers entspricht dann dem Drehwinkel, den die zweite Welle 21 ausgehend von dem Empfang des Durchgangssignals S_D, 41, bis zum Empfang des Koinzidenzsignals S_K, 42 zurückgelegt hat.
Basierend auf diesem Zählwert α ermittelt die Auswerteeinheit 25 nun den Drehwinkel ω₁ der ersten Welle 24 (Schritt S9). Überraschenderweise ist dieser gleich dem Zählwert, d. h. ω₁ = α. Das Verfahren endet daraufhin.
Wurde in Schritt S1 zunächst kein Durchgangssignal S_D empfangen, jedoch ein Koinzidenzsignal S_K, 45 in Schritt S2, so initialisiert die Auswerteeinheit 25 in Schritt S10 ebenfalls den Zähler. Die Auswerteeinheit 25 erfasst die vom Inkrementalgeber 10 gesendeten Impulse, während die zweite Welle 21 rotiert (Schritt S11) und inkrementiert bei jedem Empfang eines Impulses den Zähler. Die Auswerteinheit 25 unterbricht die Messung, sobald ein Durchgangssignal S_D, 46 empfangen wird (Schritt 12). Der zu diesem Zeitpunkt erreichte Zählwert β des Zählers gibt den Drehwinkel an, den die zweite Welle 21 ausgehend von dem Empfang des Koinzidenzsignals S_K, 45 bis zum Empfang des Durchgangssignals S_D, 46 zurückgelegt hat.
Basierend auf diesem Zählwert β ermittelt die Auswerteeinheit 25 nun den Drehwinkel ω₁ der ersten Welle 24 (Schritt S13). Hierzu ermittelt die Auswerteeinheit 25 zunächst den Drehwinkel, den die erste Welle 24 im Moment der Drehwinkelkoinzidenz S_K, 45 eingenommen hatte. Dieser Drehwinkel ergibt sich zu 360° abzüglich des Zählwerts β.
Ausgehend von der Position der Drehwinkelkoinzidenz S_K, 45 wurde aber die zweite Welle 21 um den Winkel β weitergedreht. Da die Übersetzung des Getriebes i ist, hat sich folglich die erste Welle 24 seit der Drehwinkelkoinzidenz um β/i weitergedreht. In mathematischer Schreibweise ergibt sich der Drehwinkel somit zu: ω₁ = 360° – β + β / i. Das Verfahren endet daraufhin.
Nachdem der Drehwinkel ω₁ der ersten Welle mit dem obigen Verfahren einmal ermittelt worden ist, kann er anhand der Impulse der Inkrementalgeber 15, 10 laufend aktuell gehalten werden.
Ferner kann die Auswerteeinheit 25 ebenso den Winkel, den die zweite Welle 21 gemessen ab der letzten Referenzlage 47 der ersten Welle 24 zurückgelegt hat, bestimmen, da der Zusammenhang ω₂= i·ω₁ unverändert gilt.
Das Verfahren kann sowohl für Getriebe 10 mit gleichsinnig drehenden Wellen 21, 24 (vgl. 9) als auch mit gegensinnig drehenden Wellen 21, 24 (vgl. 10) durchgeführt werden. Das oben erläuterte Verfahren bezog sich auf ein Getriebe mit gleichsinnig drehenden Wellen (i = 15). Da das Verfahren analog auf Drehwinkelgeber mit gegensinnig drehenden Wellen übertragen werden kann, wird hier nur auf 10 verwiesen, das die entsprechend gültigen Signale bei einer Getriebeübersetzung i = –15 zeigt.
Bezugszeichenliste

1: Drehwinkelgeber
2: Marke
3: Marke
4: Marke
5: Marke
6: Magnet
7: Magnet
8: Sensor
9: Sensor
10: Inkrementeller Geber
11: Sensor
12: Marke
13: Marke
14: Sensor
15: Inkrementeller Geber
16: Leiterbahn
17: Leiterbahn
18: Leiterbahn
19: Periode
20: Gehäuse
21: Welle
22: Scheibe
23: Motor
24: Welle
25: Auswerteeinheit
26: Empfänger
27: Sonnenrad
28: Träger
29: Planetenrad
30: Hohlrad
31: Getriebe
32: Wave Generator
33: Flexspline
40: Unbekannte Winkellage
41: Durchgangssignal
42: Koinzidenzsignal
44: Unbekannte Winkellage
45: Koinzidenzsignal
46: Durchgangssignal
47: Referenzlage
100: Roboter
101: Fuß
102: Winkelstück
103: Unterarm
104: Winkelstück
105: Oberarm
106: Winkelstück
107: Instrument
108: Winkelstück
109: Endeffektor
110: Achse

Claims

Drehwinkelgeber (1) zum Erfassen der Winkellage einer ersten Welle (24), mit einer mit der ersten Welle (24) drehbaren ersten Marke (5), mit einer in einem festen Verhältnis zur ersten Welle (24) rotierenden zweiten Welle (21), einer mit der zweiten Welle (21) drehbaren zweiten Marke (3), mit Mitteln zum Erfassen der Winkellage der zweiten Welle (21) und Mitteln zum Erfassen einer Drehwinkelkoinzidenz der ersten (5) und der zweiten Marke (3).
Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von erster und zweiter Marke (5, 3) die eine (5) ein Sensor (9) und die andere (3) durch den Sensor (9) erfassbar ist.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von erster und zweiter Marke (5, 3) jeweils eine ein Magnet (7) und die andere ein Magnetfeldsensor (9) ist.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der Winkellage der zweiten Welle (21) eine mit der zweiten Welle (21) drehbare dritte Marke (2), eine ortsfeste vierte Marke (4) und Mittel (25) zum Erfassen eines Durchgangs der dritten Marke (2) durch eine Umgebung der vierten Marke (4) umfassen.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von dritter und vierter Marke (2, 4) die eine (4) ein Sensor (8) und die andere (2) durch den Sensor (8) erfassbar ist und die Ausgabe des Sensors (8) eine periodische Funktion des Drehwinkels der zweiten Welle (21) ist, wobei eine Grundperiode der Funktion einer Umdrehung der zweiten Welle (21) entspricht.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der Winkellage der zweiten Welle einen Absolutwertgeber umfassen.
Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Welle (24, 21) über ein Getriebe (31) drehgekoppelt sind.
Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (31) ein formschlüssiges Getriebe ist.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (31) ein Untersetzungsgetriebe ist.
Drehwinkelgeber nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (31) ein Hohlradgetriebe ist.
Drehwinkelgeber nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen (21, 24) koaxial ausgerichtet sind und einander gegenüberliegende Stirnflächen aufweisen, an denen die erste und die zweite Marke (5, 3) angeordnet sind.
Drehwinkelgeber nach einem der Ansprüche 7 bis 11, soweit auf Anspruch 2 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe des Sensors (9) eine periodische Funktion des Drehwinkels (ω₁) der ersten Welle (21) ist, wobei eine Umdrehung der ersten Welle (21) |i – 1| Grundperioden der Funktion entsprechen.
Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (25) zum Empfangen eines Koinzidenzsignals (S_K) von den Mitteln zum Erfassen einer Drehwinkelkoinzidenz und eines Durchgangssignals (S_D) von den Mitteln zum Erfassen eines Durchgangs und Ermitteln einer Winkelposition anhand eines zwischen Empfang des Koinzidenzsignals (S_K) und des Durchgangssignals (S_D) zurückgelegten Drehwinkels (α, β).
Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensor (11, 14) zur Erfassung eines relativen Drehwinkels der ersten und/oder der zweiten Welle (21, 24).
Roboter mit einem Drehwinkelgeber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (100) wenigstens zwei gegeneinander schwenkbare Armabschnitte (101–109) umfasst, von denen einer mit der ersten Welle (24) und der andere mit dem Gehäuse (20) des Getriebes (31) drehfest verbunden ist.
Verfahren zum Erfassen der Winkellage einer ersten Welle (24), die über ein Getriebe (31) an eine zweite Welle (21) gekoppelt ist, so dass auf eine Umdrehung der ersten Welle (24) i Umdrehungen der zweiten Welle (21) fallen, mit den Schritten: – Drehen der Wellen (21, 24), um einen Durchgang einer mit der zweiten Welle (21) rotierenden Marke (2) durch eine Referenzlage und eine Drehwinkelkoinzidenz zwischen einer mit der zweiten Welle (21) rotierenden Marke (3) und einer mit der ersten Welle (24) rotierenden Marke (5) zu erfassen; – Ermitteln eines zwischen dem Durchgang durch die Referenzlage und der Drehwinkelkoinzidenz zurückgelegten Drehwinkels (α, β); – Bestimmen der Winkellage anhand des zurückgelegten Drehwinkels (α, β).