DE102022125958B3

DE102022125958B3 - Kodierer und Verfahren zur Bestimmung einer rotativen Relativposition zwischen zwei Bauteilen sowie Roboter mit einem solchen Kodierer

Info

Publication number: DE102022125958B3
Application number: DE102022125958.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Damerau
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-10-07
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2042-10-08
Also published as: WO2024074169A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kodierer und ein Verfahren zur Bestimmung einer rotativen Position eines ersten Bauteils relativ zu einem dazu verdrehbaren zweiten Bauteil, der Kodierer umfassend einen ersten Lesekopf, der dazu ausgebildet ist, am zweiten Bauteil angeordnet zu sein, sowie eine Antriebseinheit mit einem relativ zum ersten Bauteil drehantreibbaren Antriebselement, an dem zumindest ein erster Magnetteller befestigt ist und das dazu ausgebildet ist, am ersten Bauteil angeordnet zu sein, wobei der erste Magnetteller an einer dem ersten Lesekopf zugewandten Stirnseite wenigstens eine umlaufende erste Spur mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des ersten Magnettellers hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen aufweist, wobei der erste Lesekopf dazu ausgebildet ist, bei Rotation des zumindest ersten Magnettellers relativ zum ersten Bauteil durch Messung der Magnetisierungsrichtungen entlang der ersten Spur zumindest eine erste periodische Impulsfolge zu erfassen, wobei die jeweilige erfasste periodische Impulsfolge einer Referenzimpulsfolge mit gleicher Periodizität gegenüberstellbar ist, um zumindest eine erste Phasendifferenz zwischen der jeweiligen erfassten periodischen Impulsfolge und der Referenzimpulsfolge zu ermitteln sowie anhand der zumindest ersten Phasendifferenz eine rotative Position des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil zu bestimmen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Roboter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kodierer zur Bestimmung einer rotativen Position eines ersten Bauteils relativ zu einem zweiten Bauteil. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer rotativen Position des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil mit einem derartigen Kodierer. Außerdem betrifft die Erfindung einen Roboter, aufweisend einen solchen Kodierer.
Kodierer, insbesondere Winkelkodierer, sind ein wesentlicher Bestandteil vieler mechatronischer Produkte. Unter dem Begriff „Kodierer“ ist ein Drehgeber, im englischen Encoder genannt, zu verstehen. Eine der Hauptanwendungen ist die Robotik, wo der kinematische Zustand eines Roboters bzw. eines Roboterarms jederzeit bekannt sein muss, um den Roboter effektiv steuern zu können. Insbesondere Kodierer, die am Ausgang eines Aktuators wirksam angeordnet sind, können die Präzision des Roboters erheblich steigern, da sie den wahren Winkel messen, der nicht durch die Elastizität des Aktuators oder andere Einflüsse beeinträchtigt wird. Der langsam drehende Abtrieb des Getriebes erfordert jedoch sehr hochauflösende Kodierer, um auch sehr kleine Winkeländerungen messen zu können. In der Robotik und anderen Anwendungen ist eine hohe Präzision und Auflösung von Winkelmessgeräten von Vorteil, da die genaue Kenntnis des kinematischen Zustands direkt die Präzision und Wiederholbarkeit der Werkzeugpunktbewegung bestimmt, eine wichtige Leistungseigenschaft eines Roboterarms. Die physikalische Auflösung eines Winkelkodierers ist durch die Größe der Strukturen, die auf dem Sensor erzeugt werden können, und die Auflösung zur effektiven Erfassung dieser Strukturen, wie z. B. durch die Wellenlänge des Lichts, begrenzt.
Beispielsweise geht aus der DE 10 2016 202 792 A1 ein Robotergelenk hervor, aufweisend ein Roboterglied, ein an dem Roboterglied drehbar gelagertes Antriebsrad und ein an dem Roboterglied drehbar gelagertes Abtriebsrad, eine das Antriebsrad mit dem Abtriebsrad zum Übertragen eines Antriebsmoments koppelnde Getriebevorrichtung sowie einen das Antriebsrad antreibenden Motor, dessen Motorwelle zum Einleiten des Antriebsmoments über eine Antriebsverbindung mit dem Antriebsrad verbunden ist. Eine Sicherheitskupplung ist vorgesehen und ausgebildet, bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Grenzmomentes die Antriebsverbindung zwischen der Motorwelle und dem Abtriebsrad zu trennen und bei einem Unterschreiten des vorgegebenen Grenzmomentes die Antriebsverbindung zwischen der Motorwelle und dem Abtriebsrad wiederherzustellen. Außerdem ist eine Sensorvorrichtung vorgesehen und ausgebildet, die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads zu erfassen. Um die exakte Lage und Drehrichtung des Gelenks selbst dann bestimmen zu können, wenn der Roboter passiv von außen verschoben wird bzw. wenn der Antriebsstrang durchrutscht, wird eine abtriebsseitige Positionsmessung verwendet, die einfach oder redundant ausgeführt werden kann. Bei einfacher Positionsmessung kann eine Kodierscheibe mit der Abtriebsriemenscheibe verbunden werden. Bei doppelter Messung eine weitere Kodierscheibe auch am mittleren Riemenscheibenpaket angeordnet sein. Die Striche der Kodierscheibe können bei der Drehung von einem Sensor erfasst werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kodierer mit einer verbesserten Auflösung vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt durch einen Kodierer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt durch ein Verfahren zur Bestimmung einer rotativen Position des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe gemäß einem dritten Erfindungsaspekt durch einen Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Ein erfindungsgemäßer Kodierer zur Bestimmung einer rotativen Position eines ersten Bauteils relativ zu einem dazu verdrehbaren zweiten Bauteil gemäß einem ersten Erfindungsaspekt umfasst wenigstens einen ersten Lesekopf, der dazu ausgebildet ist, am zweiten Bauteil angeordnet zu sein, sowie eine Antriebseinheit mit einem relativ zum ersten Bauteil drehantreibbaren Antriebselement, an dem zumindest ein erster Magnetteller befestigt ist und das dazu ausgebildet ist, am ersten Bauteil angeordnet zu sein, wobei der zumindest erste Magnetteller an einer dem ersten Lesekopf zugewandten Stirnseite wenigstens eine umlaufende erste Spur mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des ersten Magnettellers hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen aufweist, wobei der erste Lesekopf dazu ausgebildet ist, bei Rotation des zumindest ersten Magnettellers relativ zum ersten Bauteil durch Messung der Magnetisierungsrichtungen entlang der ersten Spur zumindest eine erste periodische Impulsfolge zu erfassen, wobei die jeweilige erfasste periodische Impulsfolge einer Referenzimpulsfolge mit gleicher Periodizität gegenüberstellbar ist, um zumindest eine erste Phasendifferenz zwischen der jeweiligen erfassten periodischen Impulsfolge und der Referenzimpulsfolge zu ermitteln sowie anhand der zumindest ersten Phasendifferenz eine rotative Position des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil zu bestimmen.
Unter einem Kodierer bzw. Drehgeber wird in diesem Zusammenhang ein Drehwinkelgeber, Winkelkodierer oder auch ein Winkelpositionsgeber verstanden. Typische Anwendungen von Drehgebern sind bei Fahrzeugen beispielsweise Lenkwinkelgeber und verschleißfreie Drehschalter. Weitere Anwendungen sind in der Robotik Winkelgeber zur Bestimmung einer Drehrichtung und Lage von miteinander über ein Gelenk gekoppelter Roboterarmsegmente eines Roboterarms.
Das erste Bauteil und das zweite Bauteil sind gelenkig miteinander verbunden, wobei insbesondere das zweite Bauteil relativ zum ersten Bauteil verdreht werden kann. Ein Antrieb ist vorgesehen, der eine Antriebsleistung erzeugt und diese beispielsweise über eine Vorübersetzung auf das zweite Bauteil überträgt, um eine rotative Relativposition zwischen den Bauteilen einzustellen. Der Antrieb stützt sich dazu am ersten Bauteil ab, sodass eine Verdrehung des zweiten Bauteils relativ zum ersten Bauteil erfolgen kann. Vorzugsweise sind das erste und zweite Bauteil jeweils als Welle ausgebildet. Die beiden Bauteile sind vorzugsweise konzentrisch angeordnet.
Die Antriebseinheit ist vorzugsweise ein Spindeltrieb, wobei das Antriebselement bevorzugt eine Spindel ist, die am ersten Bauteil angeordnet und relativ verdrehbar angeordnet ist. Bevorzugt ist das erste Bauteil koaxial zur Spindel angeordnet. Der zumindest erste Magnetteller ist an der Spindel befestigt. Die Spindel ist zusammen mit dem zumindest ersten Magnetteller mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit relativ zum ersten Bauteil drehantreibbar. Es sind Rotationsgeschwindigkeiten von 4.000 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute denkbar. Stirnseitig weist der erste Magnetteller die erste Spur mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des Magnettellers hintereinander angeordneten magnetischen bzw. magnetisierten Bereichen auf, wobei jeder magnetische Bereich mit einer bestimmten Magnetisierungsrichtung magnetisiert bzw. formatiert wurde.
Der jeweilige Magnetteller ist ein magnetischer Plattenteller, an dessen Stirnseite, die dem dazugehörigen Lesekopf zugewandt ist, mindestens eine Spur aufweist. Die jeweilige Spur ist bevorzugt kreisförmig, also vollumlaufend, an der Stirnseite des jeweiligen Magnettellers ausgebildet. Die erste Spur des ersten Magnettellers ist bevorzugt im Bereich des Außendurchmessers des zumindest ersten Magnettellers angeordnet. Je weiter die Spur in radialer Richtung außen am jeweiligen Magnetteller angeordnet ist, desto größer ist der Durchmesser der jeweiligen Spur und desto höher ist die Anzahl magnetischer Bereiche und entsprechend die Datenmenge, die auf der Spur gespeichert bzw. kodiert sein kann. Es ist denkbar, Daten von über 20 Millionen Bit auf einer solchen Spur zu speichern, was einer physikalischen Auflösung von über 24 Bit entspricht. Jedes der über 20 Millionen Bits ist einem der magnetischen Bereiche zugeordnet. Anders gesagt bildet jeder magnetische Bereich durch seine Magnetisierungsrichtung einen ein Bit aus. Je höher die Anzahl der Bits bzw. der magnetischen Bereiche desto präziser kann der Winkel bei einer Verdrehung des zweiten Bauteils relativ zum ersten Bauteil gemessen werden. Der zumindest erste Lesekopf ist dazu ausgebildet, Bitmuster von über 24 Bit bei einer Rotationsgeschwindigkeit des jeweiligen Magnettellers von mindestens 4000 Umdrehungen pro Minute von der Spur auf dem Magnetteller zu lesen. Mithin wechselwirkt der erste Lesekopf mit den magnetischen Bereichen, die die Spur auf dem ersten Magnetteller bilden.
Die einzelnen Bits werden durch Magnetisierung der magnetischen Bereiche in eine bestimmte Magnetisierungsrichtung entlang der entsprechenden Spur auf dem jeweiligen Magnetteller kodiert. Eine Änderung der Magnetisierungsrichtung bedeutet in der Regel eine „1“, und die gleiche Magnetisierungsrichtung zweier aufeinanderfolgender magnetischer Bereiche entschlüsselt eine „0“. Die zumindest erste Spur ist vorzugsweise vollständig mit „1“ vorformatiert. Anders gesagt weisen jeweils zwei in Richtung der Spur benachbarte magnetische Bereiche nie die gleiche Magnetisierungsrichtung auf. Mithin ändert sich die Magnetisierungsrichtung in jedem aufeinanderfolgenden magnetischen Bereich. Dies ermöglicht die höchstmögliche Winkelauflösung des Drehgebers. In diesem Sinn weisen die magnetischen Bereiche der jeweiligen Spur in Umfangsrichtung des Magnettellers alternierende Magnetisierungsrichtungen auf.
Üblicherweise erfolgt eine Kodierung der Spur in Längsrichtung. Als Längsrichtung ist zu verstehen, dass die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Bereiche jeweils in tangentialer Richtung des jeweiligen Magnettellers ausgerichtet sind. Alternativ kann die Kodierung der magnetischen Bereiche in der Senkrechtaufzeichnung erfolgen, wodurch die Datendichte bzw. die Anzahl der Bits über den Umfang erhöht wird. In der Senkrechtaufzeichnung sind die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Bereiche jeweils in bezogen auf die Drehachse des jeweiligen Magnettellers axialer Richtung ausgerichtet.
Die jeweilige Spur enthält vorzugsweise eine spezielle Führungsstruktur, so dass der jeweilige Lesekopf der Spur zuverlässig folgt, ohne sie zu verlieren. Der jeweilige Lesekopf schwebt auf einem Luftkissen oder Heliumkissen, das durch den rotierenden Magnetteller erzeugt wird, über dem jeweiligen Magnetteller.
Die jeweilige Spur am Magnetteller ist als Datenspur zu verstehen. Es ist denkbar, mehrere Datenspuren auf der dem Lesekopf zugewandten Stirnseite des dazugehörigen Magnettellers auszubilden. Beispielsweise können Spuren mit geringerer Auflösung radial innen der ersten Spur ausgebildet sein. Jeder Spur kann so ein Lesekopf zugeordnet sein, wobei die Spuren während der Rotation des jeweiligen Magnettellers gleichzeitig gelesen werden. Dadurch kann ein absoluter Verstellwinkel zwischen dem ersten und zweiten Bauteil bestimmt werden. Mithin kann so ein absoluter Winkelkodierer realisiert werden.
Der erste Magnetteller ist über das Antriebselement, vorzugsweise über die Spindel des Spindeltriebs, mit dem ersten Bauteil verbunden. Das erste Bauteil kann ein erstes Roboterarmsegment sein, welches gelenkig mit einem zweiten Roboterarmsegment verbunden sein kann. Das Antriebselement treibt den jeweiligen Magnetteller mit einer konstanten Drehzahl an, wobei durch die Drehzahl das Luft- bzw. Heliumpolster zwischen dem jeweiligen Magnetteller und dem Lesekopf erzeugt wird. Während des Drehantriebs des jeweiligen Magnetteller schwimmt der dazugehörige Lesekopf auf dem Luft- bzw. Heliumpolster. Der zumindest erste Lesekopf ist an dem zweiten Bauteil befestigt. Nachdem der jeweilige Magnetteller seine Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat, wird der dazugehörige Lesekopf eingeschaltet, um der Spur auf der Stirnseite des Plattentellers zu folgen. Das zweite Bauteil kann ein Gehäuse oder ein zweites Roboterarmsegment sein.
Der jeweilige Lesekopf ist vorzugsweise schwenkbar am zweiten Bauteil angeordnet. Der jeweilige Lesekopf ist zumindest zwischen einer Parkposition und zumindest einer Betriebsposition verschwenkbar. Die schwenkbare Anordnung ist von Vorteil, da der jeweilige Lesekopf so erst in die jeweilige Betriebsposition verschwenkt werden kann, wenn der jeweilige Magnetteller seine Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat. Zudem kann der jeweilige Lesekopf der jeweiligen Spur besser folgen, die nicht zwingen exakt kreisförmig oder konzentrisch ausgebildet sein muss.
Der jeweilige Lesekopf erhält durch das Lesen der jeweiligen Datenspur ein Spannungssignal, indem er das jeweilige Magnetfeld der magnetischen Bereiche misst, während er entlang der zumindest ersten Spur auf dem rotierenden Magnetteller gleitet bzw. schwimmt. Dabei wird das zweite Bauteil nicht relativ zum ersten Bauteil verstellt. Dieses Signal ist als periodische Impulsfolge zu verstehen.
Anschließend wird ein Referenzsignal bzw. eine Referenzimpulsfolge erzeugt und der periodischen Impulsfolge gegenübergestellt. Die Referenzimpulsfolge kann ein synthetisches Referenzsignal sein, dass von einer Prozessoreinheit, auch als CPU zu verstehen, oder von einem Signalgenerator erzeugbar ist. Dieses Referenzsignal ähnelt der periodischen Impulsfolge, die der jeweilige Lesekopf unter statischen Bedingungen gemessen hat. Insbesondere hat die Referenzimpulsfolge genau die gleiche Frequenz, also die gleiche Periodizität.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzimpulsfolge durch eine Prozessoreinheit bereitstellbar bzw. wird bereitgestellt. Die Prozessoreinheit kann einen synthetischen Signalgenerator enthalten oder das Referenzsignal von einem separaten synthetischen Signalgenerator empfangen. Demnach ist die Referenzimpulsfolge eine synthetische Referenzimpulsfolge. Eine synthetische Referenzimpulsfolge wird demnach nicht gemessen, sondern computergestützt generiert und bereitgestellt, wobei die Kodierung der jeweiligen Spur bekannt ist und zur Erzeugung der Referenzimpulsfolge herangezogen wird.
Alternativ ist die Referenzimpulsfolge durch einen Signalgenerator bereitstellbar bzw. wird bereitgestellt, umfassend einen ebenfalls an dem Antriebselement der Antriebseinheit befestigten zweiten Magnetteller und einen zweiten Lesekopf, der dazu ausgebildet ist, am ersten Bauteil angeordnet zu sein, wobei der zweite Magnetteller an einer dem zweiten Lesekopf zugewandten Stirnseite wenigstens eine umlaufende zweite Spur mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des zweiten Magnettellers hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen aufweist, wobei die zweite Spur am zweiten Magnetteller identisch zur ersten Spur am ersten Magnetteller ausgebildet ist. Demnach ist das Referenzsignal kein synthetisches Signal, sondern wird von dem zweiten Magnetteller erzeugt, der zusammen mit dem ersten Magnetteller auf demselben Antriebselement montiert ist und die gleichen Teilungen, also magnetische Bereiche, und Formate, also Magnetisierungsrichtungswechsel, wie der erste Magnetteller aufweist. Das Referenzsignal ist die von dem zweiten Lesekopf am ersten Bauteil gemessene Spannung, die sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit wie der erste Magnetteller dreht.
Die jeweilige durch den zumindest ersten Lesekopf erfasste periodische Impulsfolge wird der Referenzimpulsfolge mit gleicher Periodizität gegenübergestellt, um die zumindest erste Phasendifferenz zwischen der jeweiligen erfassten periodischen Impulsfolge und der Referenzimpulsfolge zu ermitteln. Dies kann mittels FourierTransformation oder Kreuzkorrelation der Signale erfolgen. Anhand der zumindest ersten Phasendifferenz ist eine rotative Position des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil bestimmbar. Wenn das erste Bauteil relativ zum zweiten Bauteil feststeht, bleibt die Phasendifferenz unverändert. In diesem Sinn ist die erste Phasendifferenz ermittelbar, wenn das zweite Bauteil relativ zum ersten Bauteil festgesetzt ist.
Wenn sich das erste Bauteil in Bezug auf das zweite Bauteil dreht, oder umgekehrt, ändert sich die Phasendifferenz. Abhängig von der Auflösung, mit der diese Phasendifferenz aufgelöst werden kann, erhöht sie die Gesamtauflösung des hier vorgeschlagenen Kodierers. Wenn die Phasendifferenz beispielsweise in 64 Schritten auflösbar ist, kann eine Gesamtauflösung von 30 Bit oder 90 Nanobogensekunden erhalten werden. Dies übertrifft die Auflösung der aktuell bekannter Encoder deutlich. In diesem Sinn sind weitere Phasendifferenzen ermittelbar oder werden ermittelt, während das zweite Bauteil relativ zum ersten Bauteil verdreht wird. Anders gesagt erfolgt eine Nachverfolgung einer Änderung der Phasendifferenz.
Die gesamte Winkeldifferenz zwischen den zueinander verdrehbaren Bauteilen kann durch Zählen der Nulldurchgänge (unter Berücksichtigung der Richtung/des Vorzeichens) der jeweiligen Phasendifferenz und durch Multiplikation mit der Größe des magnetischen Winkelbereichs berechnet werden. Schließlich ist die tatsächliche Phasendifferenz ebenfalls mit der Größe des magnetischen Winkelbereichs multiplizierbar und addierbar.
Gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt ist ein Verfahren zur Bestimmung einer rotativen Position eines ersten Bauteils relativ zu einem zweiten Bauteil vorgesehen, dass mittels eines Kodierers gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ausführbar ist, wobei mittels des ersten Lesekopfes bei Rotation des zumindest ersten Magnettellers relativ zum ersten Bauteil durch Messung der Magnetisierungsrichtungen entlang der ersten Spur zumindest eine erste periodische Impulsfolge erfasst wird, wobei die jeweilige erfasste periodische Impulsfolge einer Referenzimpulsfolge mit gleicher Periodizität gegenübergestellt wird, um zumindest eine erste Phasendifferenz zwischen der jeweiligen erfassten periodischen Impulsfolge und der Referenzimpulsfolge zu ermitteln sowie anhand der zumindest ersten Phasendifferenz eine rotative Position des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil zu bestimmen.
Gemäß einem dritten Erfindungsaspekt umfasst ein Roboter ein erstes Roboterarmsegment und ein damit über ein Gelenk wirkverbundenes zweites Roboterarmsegment, wobei in dem Gelenk einen Kodierer gemäß dem ersten Erfindungsaspekt wirksam angeordnet ist. Das Gelenk ist also ein Robotergelenk, dass wenigstens zwei Segmente eines Roboterarms miteinander verbindet. Im Robotergelenk ist neben dem Kodierer außerdem wenigstens ein Aktuator und/oder eine Sensorik vorgesehen, um den Roboterarm zu bewegen bzw. eine aktuelle Position des Roboterarms im Raum und/oder eine Belastung des Roboterarms zu erfassen.
Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des jeweiligen Kodierers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelten sinngemäß ebenfalls für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sowie für den Roboter gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung, und umgekehrt.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

1 eine stark schematische Ansicht eines Roboterarms eines erfindungsgemäßen Roboters,
2 eine schematische Längsschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Kodierers gemäß einer ersten Ausführungsform,
3 eine stark schematische Ansicht eines erste Magnettellers des erfindungsgemäßen Kodierers nach 2
4 eine stark schematische Darstellung des ersten Magnettellers nach 3 zur Veranschaulichung einer ersten Spur mit mehreren magnetischen Bereichen sowie einer durch einen ersten Lesekopf anhand der Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Bereiche gemessenen periodischen Impulsfolge,
5 eine schematische Darstellung der gemessenen periodischen Impulsfolge nach 4 sowie einer Referenzimpulsfolge zur Veranschaulichung einer Phasendifferenzbestimmung, und
6 eine schematische Längsschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Kodierers gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß 1 ist ein Roboterarm eines - hier nur teilweise dargestellten - Roboters 16 stark schematisiert und vereinfacht gezeigt. Der Roboterarm weist vorliegend ein erstes Roboterarmsegment 24 sowie ein zweites Roboterarmsegment 25 auf, die über ein Gelenk 26 gelenkig miteinander verbunden sind. Am ersten Roboterarmsegment 24 ist beispielweise ein Antriebsstrang angeordnet und abgestützt, umfassend einen - hier nicht gezeigten - Antrieb, dessen Antriebsleistung über eine - hier ebenfalls nicht gezeigte - Getriebestufe auf das zweite Roboterarmsegment 25 übertragbar ist. Der Antriebsstrang ist als Aktuator des Roboterarms zu verstehen. Das nachfolgend beschriebene erste Bauteil 2 kann das Ausgangselement, beispielweise die Abtriebswelle der Getriebestufe sein, die mit dem zweiten Bauteil 3 wirkverbunden ist, während das zweite Bauteil 3 unmittelbar am zweiten Roboterarmsegment 25 befestigt oder das zweite Roboterarmsegment 25 selbst sein kann.
Ein Kodierer 1 gemäß 2 ist im Gelenk 26 zwischen den beiden Roboterarmsegmenten 24, 25 wirksam angeordnet. Der Kodierer 1 ist zur Bestimmung einer rotativen Position des ersten Bauteils 2 relativ zum dazu verdrehbaren zweiten Bauteil 3 ausgebildet. Der Kodierer 1 umfasst vorliegend einen ersten Lesekopf 4 sowie eine als Spindeltrieb ausgebildete Antriebseinheit 5 mit einem relativ zum ersten Bauteil 2 drehantreibbaren Antriebselement 6. Das Antriebselement 6 der Antriebseinheit 5 ist hier eine Spindel, die am ersten Bauteil 2 angeordnet ist und relativ dazu mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit von mindestens 4000 Umdrehungen pro Minute rotieren kann. An der Spindel ist ein erster Magnetteller 7 befestigt, der entsprechend mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit rotieren kann. Der erste Lesekopf 4 ist von einer Parkposition in eine Betriebsposition, und umgekehrt, verschwenkbar am zweiten Bauteil 3 angeordnet.
Der erste Magnetteller 7 weist an einer dem ersten Lesekopf 4 zugewandten Stirnseite 8 wenigstens eine umlaufende erste Spur 9 mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des ersten Magnettellers 7 gleichmäßig hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen 10 auf. Die Stirnseite 8 des ersten Magnettellers 7 ist in 3 beispielhaft gezeigt. Zu sehen ist hier deutlich, dass die Spur 9 im Bereich des Außendurchmessers 17 des ersten Magnettellers 7 ausgebildet ist, um eine möglichst hohe Anzahl magnetischer Bereiche 10 zu realisieren.
Die magnetischen Bereiche 10 sind vorformatiert, was in 4 gezeigt wird. Sie weisen in Längsrichtung der Spur 9 bzw. in Umfangsrichtung des ersten Magnettellers 7 alternierende Magnetisierungsrichtungen 11, 12 auf. Anders gesagt ändert sich die Magnetisierungsrichtung 11, 12 in jedem aufeinanderfolgenden magnetischen Bereich 10. Jeder magnetischer Bereich 10 entspricht einem Bit. Die Bits werden durch Magnetisierung der magnetischen Bereiche 10 entlang der Spur 9 auf dem ersten Magnetteller kodiert. Dies soll in einem Ausschnitt der Spur 9 in 4 durch die Pfeile nach links bzw. rechts veranschaulicht werden.
Nachdem die Spindel mit dem ersten Magnetteller 7 die gewünschte Betriebsdrehzahl erreicht hat, wird der erste Lesekopf 4 von einer Parkposition in eine Betriebsposition verschwenkbar, wo der erste Lesekopf 4 der ersten Spur 9 folgen kann, um die Magnetfelder der magnetischen Bereiche 10 zu messen, um daraus eine erste periodische Impulsfolge 13 zu bilden. 4 zeigt in diesem Zusammenhang unterhalb der Spur 9 eine erste periodische Impulsfolge 13, die erfasst wird, in dem der erste Lesekopf 4 die Magnetfelder der magnetischen Bereiche 10 und insbesondere die Wechsel der Magnetisierungsrichtungen 11, 12 erfasst. Die magnetischen Bereiche 10 sind hier in longitudinaler Richtung der Spur 9 kodiert. Eine Änderung der Magnetisierungsrichtung 11 bzw. 12 bedeutet in der Regel eine „1“, und die gleiche Magnetisierungsrichtung zweier aufeinanderfolgender magnetischer Bereiche 10 entschlüsselt eine „0“. Da die Spur 9 derart vorformatiert ist, dass sich die Magnetisierungsrichtung 11, 12 in jedem aufeinanderfolgenden magnetischen Bereich 10 ändert, wird bei jedem weiteren magnetischen Bereich bzw. bei jedem weiteren Bit der Wert „1“ ausgegeben. Der erste Lesekopf 4 ist demnach dazu ausgebildet, bei Rotation des zumindest ersten Magnettellers 7 relativ zum ersten Bauteil 2 durch Messung der Magnetisierungsrichtungen 11, 12 entlang der ersten Spur 9 die erste periodische Impulsfolge 13 zu erfassen. Dies geschieht hier statisch, also während das erste und zweite Bauteil 2, 3 nicht zueinander verdreht werden bzw. wenn die Bauteile 2, 3 feststehen.
Neben der ersten periodischen Impulsfolge 13 wird vorliegend eine synthetische Referenzimpulsfolge 14 erzeugt und der periodischen Impulsfolge 13 gegenübergestellt. Die Referenzimpulsfolge ist demnach ein synthetisches Referenzsignal, dass von einer - hier nicht gezeigten - Prozessoreinheit oder von einem - hier ebenfalls nicht gezeigten - Signalgenerator erzeugt wird. Dieses Referenzsignal ähnelt der ersten periodischen Impulsfolge 13, die der erste Lesekopf 4 unter statischen Bedingungen gemessen hat. Insbesondere hat die Referenzimpulsfolge 14 genau die gleiche Frequenz, also die gleiche Periodizität, wie die erste periodische Impulsfolge 13.
Durch Gegenüberstellung der erfassten ersten periodischen Impulsfolge 13 zur Referenzimpulsfolge 14 wird eine Phasendifferenz 15 zwischen der erfassten periodischen Impulsfolge 13 und der Referenzimpulsfolge 14 ermittelt, die beispielhaft in 5 gezeigt ist. Während die Frequenzen der periodischen Impulsfolge 13 und der Referenzimpulsfolge 14 identisch sind, kann eine Phasendifferenz 15 zwischen den Impulsfolgen berechnet werden, anhand derer Rückschlüsse über eine rotative Position des ersten Bauteils 2 relativ zum zweiten Bauteil 3 gewonnen werden können. Die Phasendifferenz 15 ist hier der Abstand zwischen einer Amplitude 27 der periodischen Impulsfolge 13 und einer entsprechenden Amplitude 28 der Referenzimpulsfolge. Die Phasendifferenz 15 ist dargestellt als Doppelpfeil mit einer Basis und zwei Spitzen.
Wenn nun das zweite Bauteil 3 relativ zum ersten Bauteil 2 verstellt, insbesondere verdreht wird, ändert sich die Phasendifferenz 15. Die Phasendifferenz 15 wird also größer oder kleiner. Somit wird eine erste Phasendifferenz 15 ermittelt, wenn das zweite Bauteil 3 relativ zum ersten Bauteil 2 festgesetzt ist, und es werden weitere Phasendifferenzen ermittelt, während das zweite Bauteil 3 relativ zum ersten Bauteil 2 verdreht wird.
Die gesamte Winkeldifferenz wird durch Zählen der Nulldurchgänge (unter Berücksichtigung der Richtung/des Vorzeichens) der Phasendifferenz 15 und Multiplikation mit der Größe des magnetischen Winkelbereichs berechnet. Die tatsächliche Phasendifferenz 15 wird mit der Größe des magnetischen Winkelbereichs multipliziert und addiert.
In einer alternativen Ausführungsform nach 6 kann anstelle einer synthetischen Referenzimpulsfolge eine echte Referenzimpulsfolge ermittelt werden. Dazu ist ein Signalgenerator 19 vorgesehen, umfassend einen ebenfalls an dem Antriebselement 6 der Antriebseinheit 5 befestigten zweiten Magnetteller 20 und einen zweiten Lesekopf 21. Der zweite Magnetteller 20 ist zusammen mit dem ersten Magnetteller 7 an der Spindel bzw. dem Antriebselement 6 befestigt, sodass sie stets mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit rotieren. Vorliegend sind die Magnetteller 7, 20 axial beabstandet zueinander angeordnet. Sie können jedoch auch aneinander zur Anlage kommen.
Der zweite Magnetteller 20 weist an einer dem zweiten Lesekopf 21 zugewandten Stirnseite 22 wenigstens eine umlaufende zweite Spur 9 mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des zweiten Magnettellers 20 hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen 10 mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen 11, 12 auf. Die zweite Spur 9 am zweiten Magnetteller 20 ist identisch zur ersten Spur 9 am ersten Magnetteller 7 ausgebildet, um das Referenzsignal zur Gegenüberstellung mit dem durch den ersten Lesekopf 4 gemessenen Signal gegenüberstellen zu können. Im Übrigen ist der Kodierer 1 identisch zum Ausführungsbeispiel nach 2 bis 5 ausgebildet. Für den zweiten Magnetteller 20 gilt also das für den ersten Magnetteller 7 Gesagte analog. Für den zweiten Lesekopf 21 gilt das für den ersten Lesekopf 4 Gesagte analog. Außerdem gilt für die zweite Spur 9 das für die erste Spur 9 Gesagte analog. Die 3 bis 5 sind demnach auf das zweite Ausführungsbeispiel nach 6 analog anwendbar.
In dem der Kodierer 1 am Ausgang der Getriebestufe wirksam angeordnet ist, kann die Präzision des Roboters 16 erheblich gesteigert werden, da ein wahrer Winkel zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 gemessen werden kann, der nicht durch die Elastizität des Antriebsstrangs oder andere Einflüsse beeinträchtigt wurde.
Bezugszeichenliste

1: Kodierer
2: Erstes Bauteil
3: Zweites Bauteil
4: Erster Lesekopf
5: Antriebseinheit
6: Antriebselement
7: Erster Magnetteller
8: Stirnseite des ersten Magnettellers
9: Erste Spur
10: Magnetischer Bereich
11: Erste Magnetisierungsrichtung
12: Zweite Magnetisierungsrichtung
13: Erste periodische Impulsfolge
14: Referenzimpulsfolge
15: Erste Phasendifferenz
16: Roboter
17: Außendurchmesser des ersten Magnettellers
18: Prozessoreinheit
19: Signalgenerator
20: Zweiter Magnetteller
21: Zweiter Lesekopf
22: Stirnseite des zweiten Magnettellers
9: Zweite Spur
24: Erstes Roboterarmsegment
25: Zweites Roboterarmsegment
26: Gelenk
27: Amplitude der periodischen Impulsfolge
28: Amplitude der Referenzimpulsfolge

Claims

Kodierer (1) zur Bestimmung einer rotativen Position eines ersten Bauteils (2) relativ zu einem dazu verdrehbaren zweiten Bauteil (3), umfassend wenigstens einen ersten Lesekopf (4), der dazu ausgebildet ist, am zweiten Bauteil (3) angeordnet zu sein, sowie eine Antriebseinheit (5) mit einem relativ zum ersten Bauteil (2) drehantreibbaren Antriebselement (6), an dem zumindest ein erster Magnetteller (7) befestigt ist und das dazu ausgebildet ist, am ersten Bauteil (2) angeordnet zu sein, wobei der zumindest erste Magnetteller (7) an einer dem ersten Lesekopf (4) zugewandten Stirnseite (8) wenigstens eine umlaufende erste Spur (9) mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des ersten Magnettellers (7) hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen (10) mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen (11, 12) aufweist, wobei der erste Lesekopf (4) dazu ausgebildet ist, bei Rotation des zumindest ersten Magnettellers (7) relativ zum ersten Bauteil (2) durch Messung der Magnetisierungsrichtungen (11, 12) entlang der ersten Spur (9) zumindest eine erste periodische Impulsfolge (13) zu erfassen, wobei die jeweilige erfasste periodische Impulsfolge (13) einer Referenzimpulsfolge (14) mit gleicher Periodizität gegenüberstellbar ist, um zumindest eine erste Phasendifferenz (15) zwischen der jeweiligen erfassten periodischen Impulsfolge (13) und der Referenzimpulsfolge (14) zu ermitteln sowie anhand der zumindest ersten Phasendifferenz (15) eine rotative Position des ersten Bauteils (2) relativ zum zweiten Bauteil (3) zu bestimmen.
Kodierer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phasendifferenz (15) ermittelbar ist, wenn das zweite Bauteil (3) relativ zum ersten Bauteil (2) festgesetzt ist.
Kodierer (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Phasendifferenzen ermittelbar sind, während das zweite Bauteil (3) relativ zum ersten Bauteil (2) verdreht wird.
Kodierer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest erste Magnetteller (7) kreisförmig ausgebildet ist, wobei die erste Spur (9) im Bereich des Außendurchmessers (17) des ersten Magnettellers (7) angeordnet ist.
Kodierer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzimpulsfolge (14) durch eine Prozessoreinheit (18) bereitstellbar ist.
Kodierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzimpulsfolge (14) durch einen Signalgenerator (19) bereitstellbar ist, umfassend einen ebenfalls an dem Antriebselement (6) der Antriebseinheit (5) befestigten zweiten Magnetteller (20) und einen zweiten Lesekopf (21), der dazu ausgebildet ist, am ersten Bauteil (2) angeordnet zu sein, wobei der zweite Magnetteller (20) an einer dem zweiten Lesekopf (21) zugewandten Stirnseite (22) wenigstens eine umlaufende zweite Spur (9) mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des zweiten Magnettellers (20) hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen (10) mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen (11, 12) aufweist, wobei die zweite Spur (9) am zweiten Magnetteller (20) identisch zur ersten Spur (9) am ersten Magnetteller (7) ausgebildet ist.
Verfahren zur Bestimmung einer rotativen Position eines ersten Bauteils (2) relativ zu einem zweiten Bauteil (3) mittels eines Kodierers (1), umfassend wenigstens einen ersten Lesekopf (4), der dazu ausgebildet ist, am zweiten Bauteil (3) angeordnet zu sein, sowie eine Antriebseinheit (5) mit einem relativ zum ersten Bauteil (2) drehantreibbaren Antriebselement (6), an dem zumindest ein erster Magnetteller (7) befestigt ist und das dazu ausgebildet ist, am ersten Bauteil (2) angeordnet zu sein, wobei der zumindest erste Magnetteller (7) an einer dem ersten Lesekopf (4) zugewandten Stirnseite (8) wenigstens eine umlaufende erste Spur (9) mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des ersten Magnettellers (7) hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen (10) mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen (11, 12) aufweist, wobei mittels des ersten Lesekopfes (4) bei Rotation des zumindest ersten Magnettellers (7) relativ zum ersten Bauteil (2) durch Messung der Magnetisierungsrichtungen (11, 12) entlang der ersten Spur (9) zumindest eine erste periodische Impulsfolge (13) erfasst wird, wobei die jeweilige erfasste periodische Impulsfolge (13) einer Referenzimpulsfolge (14) mit gleicher Periodizität gegenübergestellt wird, um zumindest eine erste Phasendifferenz (15) zwischen der jeweiligen erfassten periodischen Impulsfolge (13) und der Referenzimpulsfolge (14) zu ermitteln sowie anhand der zumindest ersten Phasendifferenz (15) eine rotative Position des ersten Bauteils (2) relativ zum zweiten Bauteil (3) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzimpulsfolge (14) durch eine Prozessoreinheit (18) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzimpulsfolge (14) durch einen Signalgenerator (19) bereitgestellt wird, umfassend einen ebenfalls an dem Antriebselement (6) der Antriebseinheit (5) befestigten zweiten Magnetteller (20) und einen zweiten Lesekopf (21), der dazu ausgebildet ist, am ersten Bauteil (2) angeordnet zu sein, wobei der zweite Magnetteller (20) an einer dem zweiten Lesekopf (21) zugewandten Stirnseite (22) wenigstens eine umlaufende zweite Spur (9) mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des zweiten Magnettellers (20) hintereinander ausgebildeten magnetischen Bereichen (10) mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen (11, 12) aufweist, wobei die zweite Spur (9) am zweiten Magnetteller (20) identisch zur ersten Spur (9) am ersten Magnetteller (7) ausgebildet ist.
Roboter (16), umfassend ein erstes Roboterarmsegment (24) und ein damit über ein Gelenk (26) wirkverbundenes zweites Roboterarmsegment (25), wobei in dem Gelenk (26) einen Kodierer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wirksam angeordnet ist.