DE29613725U1 - Device for determining a position of two parts which are movable relative to one another - Google Patents

Device for determining a position of two parts which are movable relative to one another

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Description

PATENTANWALTPATENT ATTORNEY

DIPL.-ING. UNIV. THOMAS KITZHOFERDIPL.-ING. UNIV. THOMAS KITZHOFER

EUROPEAN PATENT ATTORNEYEUROPEAN PATENT ATTORNEY

ZUGELASSENER VERTRETER VOR DEM HARMONISIERUNGSAMT FÜR DEN BINNENMARKT (MARKEN, MUSTER UND MODELLE)APPROVED REPRESENTATIVE BEFORE THE OFFICE FOR HARMONIZATION IN THE INTERNAL MARKET (TRADE MARKS AND DESIGNS)

WETTERSTErNSTRASSE 5A, D-86453 DASING, TEL. 08205/6960, FAX 08205/6156WETTERSTERNSTRASSE 5A, D-86453 DASING, TEL. 08205/6960, FAX 08205/6156

06.08.1996 Kunze Harald
Mein Zeichen: K11
06.08.1996 Kunze Harald
My reference: K11

Einrichtung zum Ermittein einer Position zweier zueinander beweglichen TeileDevice for determining a position of two parts moving relative to each other BeschreibungDescription

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ermitteln einer Position von zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere zum Ermitteln der Position eines Kolbens in einem Zylinder, mit einem feststehenden Teil und einem hierzu beweglichen Teil.The invention relates to a device for determining a position of two parts that are movable relative to one another, in particular for determining the position of a piston in a cylinder, with a fixed part and a part that is movable relative to it.

Eine derartige bekannte Einrichtung, die den Doppler-Effekt ausnützt, dient dazu, die Lage eines Kolbens in einem Zylinder exakt zu bestimmen, beispielsweise zum Positionieren von mehreren, gleichzeitig zu bewegenden Kolben von mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten in einer Hebebühne. Auch bei Robotern oder Handlingssystemen besteht der Wunsch, einfach und schnell die exakte Position von Teilen relativ zueinander zu erhalten. Bei der bekannten, in einer Kolben-Zylinder-Einheit integrierten Einrichtung ist in der Kolbenstange eine Bohrung vorgesehen, und am Boden des Zylinders ist eine dünne Stange aus speziellen Material befestigt. Im Kolben befindet sich ferner ein Magnet. Durch einen ausgesandten Stromimpuls, der längs der Stange geleitet und vom Magneten reflektiert wird, kann über die Laufzeit die absolute Position des Kolbens ermittelt werden. Die bisher bekannten Einrichtungen sindSuch a known device, which uses the Doppler effect, is used to precisely determine the position of a piston in a cylinder, for example for positioning several pistons of several piston-cylinder units that are to be moved simultaneously in a lifting platform. With robots or handling systems, there is also a desire to quickly and easily obtain the exact position of parts relative to one another. In the known device, which is integrated in a piston-cylinder unit, a hole is provided in the piston rod and a thin rod made of a special material is attached to the bottom of the cylinder. There is also a magnet in the piston. By means of an emitted current pulse, which is conducted along the rod and reflected by the magnet, the absolute position of the piston can be determined over the running time. The devices known to date are

meist schwer zu justieren, so daß es bei Beschädigungen an den Systemen, in denen die Einrichtungen eingebaut sind, einer zeitraubenden Neujustage bedarf.usually difficult to adjust, so that if the systems in which the devices are installed are damaged, time-consuming readjustment is required.

Weitere bekannte Einrichtungen, die z.B. mit einer magnetischen Abtastung arbeiten, messen inkremental, was den Nachteil hat, daß bei jedem Anfahren eines Systems zuerst die Nullposition angefahren werden muß. Die Einrichtung verliert deshalb bei einer Stromunterbrechung den vorhergehenden Positionswert.Other known devices, which work with magnetic scanning, for example, measure incrementally, which has the disadvantage that the zero position must be reached first every time a system is started. The device therefore loses the previous position value if the power is interrupted.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache, robuste und schnell arbeitende Einrichtung zu schaffen, die zuverlässig die Absolutposition von zueinander bewegten Teilen ermittelt.The object of the invention is to create a simple, robust and fast-acting device that reliably determines the absolute position of parts moving relative to one another.

Bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird dies erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erstes der Teile auf seiner Außenoberfläche eine durch einen Beschriftungsiaser aufbringbare Spur von Absolutpositionswerten aufweist und daß an ein zweites der Teile mindestens einen Lesekopf zum Erfassen des jeweiligen Absolutpositionswertes gekoppelt ist. Mittels eines Beschriftungslasers kann schnell und zuverlässig eine während der Benutzung nicht zerstörbare Spur von Absolutpositionswerten, vorteiihafterweise von aufeinanderfolgenden Barcodes, direkt in die Außenoberfläche eingebracht werden. Die Spur kann dabei durch lokales Anlassen aufgrund der hohen Lasertemperatur und/oder durch Herstellen einer inkremental kleinen Vertiefung, die auch darüberlaufende Dichtungen nicht beschädigt, erzeugt werden. Bei einer Spur auf der Oberfläche einer Kolbenstange ist diese aus Vertiefungen in der galvanischen Oberflächenschicht zusammengesetzt. Ein Lesekopf, z.B. ein Laserscanner oder eine einzeilige CCD-Kamera, kann unmittelbar die Absolutposition erfassen und an ein Datenauswertgerät weitergeben. Derartige Leseköpfe sind inzwischen preisgünstige Massenartikel. Das Aufbringen der Spur erfolgt unmittelbar bei der Herstellung der zueinander beweglichen Teile, die z.B. hydraulische, pneumatische oder elektrische, lineare oder kreisförmige Antriebssysteme sind. Die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet im Gegensatz zu den meisten bislang bekannten ohne außenliegende mechanische Teile sowie verschleißfrei und wartungsarm. Eine Neujustage der sich relativ zueinander bewegenden Teile betrifft,In a device of the type mentioned at the beginning, this is achieved according to the invention in that a first of the parts has a track of absolute position values on its outer surface that can be applied by a labeling laser and that at least one reading head for recording the respective absolute position value is coupled to a second of the parts. By means of a labeling laser, a track of absolute position values, advantageously of consecutive barcodes, that cannot be destroyed during use can be quickly and reliably introduced directly into the outer surface. The track can be created by local tempering due to the high laser temperature and/or by creating an incrementally small depression that does not damage seals running over it. In the case of a track on the surface of a piston rod, this is composed of depressions in the galvanic surface layer. A reading head, e.g. a laser scanner or a single-line CCD camera, can immediately record the absolute position and pass it on to a data evaluation device. Such reading heads are now inexpensive mass-produced items. The track is applied directly during the manufacture of the parts that move relative to one another, which are, for example, hydraulic, pneumatic or electric, linear or circular drive systems. In contrast to most previously known devices, the device according to the invention works without external mechanical parts and is wear-free and low-maintenance. Readjustment of the parts that move relative to one another involves

wenn überhaupt, dann nur den Lesekopf. Die Spur selbst ist auf die Außenoberfläche eines der Teile selbst aufgebracht und kann sich zum anderen Teil nicht verstellen. Die Genauigkeit, mit der die Position der Teile zueinander ermittelt werden kann, hängt von dem Abstand zweier benachbarter Absolutpositionswerte in der Spur ab.if at all, then only the reading head. The track itself is applied to the outer surface of one of the parts and cannot be adjusted relative to the other part. The accuracy with which the position of the parts relative to each other can be determined depends on the distance between two adjacent absolute position values in the track.

Sie kann dadurch erhöht werden, daß die Außenoberfläche des ersten Teils eine zusätzliche, sinusförmige, durch einen Beschriftungslaser aufgebrachte Spur aufweist, die durch den Lesekopf oder einen weiteren Lesekopf, der mit dem zweiten Teil verbunden ist, erfaßt wird. Ein mit dem mindestens einen Lesekopf verbundenes Datenauswertgerät interpoliert die aus der sinusförmigen Spur gewonnen Werte und ermittelt unter Verwendung der Absolutpositionswerte der ersten Spur eine noch genauere Absolutposition. Ist nur eine sinusförmige Spur vorhanden, was ebenfalls möglich ist, mißt die Einrichtung inkremental.It can be increased by having the outer surface of the first part have an additional sinusoidal track applied by a marking laser, which is detected by the reading head or another reading head connected to the second part. A data evaluation device connected to the at least one reading head interpolates the values obtained from the sinusoidal track and determines an even more precise absolute position using the absolute position values of the first track. If only one sinusoidal track is present, which is also possible, the device measures incrementally.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann in eine erfindungsgemäße hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit integriert sein, wobei die Spur vorzugsweise direkt auf die Kolbenstange, die üblicherweise stets unverschmutzt ist, aufgebracht wird. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann ferner bei Robotern, Handling- oder Kommissioniersystemen verwendet werden.The device according to the invention can be integrated into a hydraulic or pneumatic piston-cylinder unit according to the invention, wherein the track is preferably applied directly to the piston rod, which is usually always uncontaminated. The device according to the invention can also be used in robots, handling or order picking systems.

Die Einrichtung kann z.B. Teil einer Hebebühne mit mehreren gleichförmig zu bewegenden Kolben sein, deren Lage einzeln mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung exakt ermittelt und über ein Datenauswertgerät gesteuert werden kann, indem das Datenauswertgerät entsprechende Signale Hydraulikstellorganen zuführt.The device can, for example, be part of a lifting platform with several uniformly moving pistons, the position of which can be precisely determined individually by means of the device according to the invention and controlled via a data evaluation device in which the data evaluation device supplies corresponding signals to hydraulic actuators.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description and the drawings to which reference is made. In the drawings:

Fig. 1 eine hydraulisch betätigbare, mit der erfindungsgemäßen Einrichtung versehene, erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit,Fig. 1 shows a hydraulically actuated piston-cylinder unit according to the invention provided with the device according to the invention,

Fig. 2 einen mit der erfindungsgemäßen Einrichtung versehenen Bandzylinder, undFig. 2 shows a belt cylinder provided with the device according to the invention, and

Fig. 3a und Fig. 3b eine auf die Außenoberfläche der Kolbenstange gemäß Fig. 1 und der Außenoberfläche des Zylinders nach Fig. 2 aufgebrachte Spur von Barcodes bzw. eine hierzu parallele, sinusförmige Spur.Fig. 3a and Fig. 3b show a track of barcodes applied to the outer surface of the piston rod according to Fig. 1 and the outer surface of the cylinder according to Fig. 2, or a sinusoidal track parallel thereto.

In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 mit einer pneumatisch ein- und ausfahrbaren Kolbenstange 3 gezeigt, der Teil einer Hebebühne ist, welche mehrere der in Fig. 1 gezeigten Kolben-Zylinder-Einheiten 2 umfaßt. In die Kolben-Zylinder-Einheit 2 ist eine Einrichtung zum Ermitteln der Position des nicht gezeigte Kolbens zum Zylinder 1 integriert, in die Außenoberfläche der Kolbenstange 3 ist hierzu eine Spur 4 von Barcodes (siehe Fig. 3a) und parallel hierzu eine sinusförmige Spur 4' (siehe Fig. 3b) mittels eines Beschriftungslasers eingebrannt, wobei jeder Barcode einer Absolutposition des nicht gezeigten Kolbens relativ zum Zylinder 1 entspricht. Ein am Zylinder 1 im Bereich der kolbenstangenseitigen Stirnfläche angebrachter Lesekopf 5 in Form eines Laserscanners liest einen Barcode und ein weiterer, nicht gezeigter Lesekopf 5 liest die sinusförmige Spur 4\ wobei jedoch auch ein Lesekopf 5 ausreichen kann, wenn die sinusförmige Spur 4' nahe einer sehr schmalen Spur 4 von Barcodes liegt. Lesekopf 5 übermittelt die entsprechende Information einem nicht gezeigten, mit dem Laserscanner verbundenen Datenauswertgerät. Dieses erhält stetig sämtliche Positonswerte aller Kolben und steuert entsprechende Hydrauükstellorgane an den einzelnen Zylindern 1 so an, daß sich deren Kolben gleichförmig bewegen. Die Einrichtung zum Ermitteln der Position besteht aus dem Lesekopf 5, dem Datenauswertgerät und den Spuren 4, 4\In Fig. 1, a cylinder 1 with a pneumatically extendable and retractable piston rod 3 is shown, which is part of a lifting platform which comprises several of the piston-cylinder units 2 shown in Fig. 1. A device for determining the position of the piston (not shown) relative to the cylinder 1 is integrated into the piston-cylinder unit 2, for this purpose a track 4 of barcodes (see Fig. 3a) and, parallel to this, a sinusoidal track 4' (see Fig. 3b) is burned into the outer surface of the piston rod 3 by means of a marking laser, whereby each barcode corresponds to an absolute position of the piston (not shown) relative to the cylinder 1. A reading head 5 in the form of a laser scanner attached to the cylinder 1 in the area of the piston rod side face reads a barcode and another reading head 5 (not shown) reads the sinusoidal track 4\, although one reading head 5 may be sufficient if the sinusoidal track 4' is close to a very narrow track 4 of barcodes. Reading head 5 transmits the corresponding information to a data evaluation device (not shown) connected to the laser scanner. This constantly receives all position values of all pistons and controls corresponding hydraulic actuators on the individual cylinders 1 so that their pistons move uniformly. The device for determining the position consists of the reading head 5, the data evaluation device and the tracks 4, 4\

Die in Fig. 2 gezeigte weitere Ausführungsform zum Ermitteln der Position des Kolbens eines Bandzylinders 7 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten lediglich darin, daß die Spuren 4 nach Fig. 3a auf die Außenoberfläche des Zylinders 7 und der Lesekopf 5 an einem mit dem verfahrbaren Band 11 verbundenen, mitfahrendenThe further embodiment shown in Fig. 2 for determining the position of the piston of a tape cylinder 7 differs from that shown in Fig. 1 only in that the tracks 4 according to Fig. 3a are on the outer surface of the cylinder 7 and the reading head 5 is on a moving support connected to the movable tape 11.

Mitnehmer 13 befestigt ist und sich im Gegensatz zum Lesekopf 5 in Fig. 1 bewegt. Carrier 13 is attached and moves in contrast to the reading head 5 in Fig. 1.

Mittels der sinusförmigen, zu der in Fig. 3a gezeigten Spur 4 insgesamt parallelen Spur 4\ die ebenfalls durch den Lesekopf 5 abgetastet wird und die keine Absolutpositionswerte enthält, läßt sich durch das Datenauswertgerät über eine Interpolation eine noch genauere Absolutposition des Kolbens errechnen.By means of the sinusoidal track 4\, which is parallel to the track 4 shown in Fig. 3a, which is also scanned by the reading head 5 and which does not contain any absolute position values, the data evaluation device can calculate an even more precise absolute position of the piston via interpolation.

k11b.dock11b.doc

Claims (8)

PATENTANWALTPATENT ATTORNEY DBPL.-ING. UNIV. THOMAS KITZHOFERDBPL.-ING. UNIV. THOMAS KITZHOFER EUROPEAN PATENT ATTORNEYEUROPEAN PATENT ATTORNEY ZUGELASSENER VERTRETER VOR DEM HARMONISIERUNGSAMT FUR DEN BINNENMARKT (MARKEN, MUSTER UND MODELLE)APPROVED REPRESENTATIVE BEFORE THE OFFICE FOR HARMONIZATION IN THE INTERNAL MARKET (TRADE MARKS AND DESIGNS) WETTERSTEINSTRASSE 5A, D-86453 DASING, TEL. 08205/6960, FAX 08205/6156WETTERSTEINSTRASSE 5A, D-86453 DASING, TEL. 08205/6960, FAX 08205/6156 06.08.1996 Kunze Harald
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AnsprücheExpectations 1. Einrichtung zum Ermitteln einer Position von zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere zum Ermitteln der Position eines Kolbens in einem Zylinder (1;7), mit einem feststehenden Teil und einem hierzu beweglichen Teil, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes der Teile auf seiner Außenoberfläche eine durch einen Beschriftungslaser aufbringbare Spur (4) von Absolutpositionswerten aufweist und daß an ein zweites der Teile mindestens einen Lesekopf (5) zum Erfassen des jeweiligen Absolutpositionswertes gekoppelt ist.1. Device for determining a position of two parts that are movable relative to one another, in particular for determining the position of a piston in a cylinder (1; 7), with a fixed part and a part that is movable relative to it, characterized in that a first of the parts has on its outer surface a track (4) of absolute position values that can be applied by a marking laser and that at least one reading head (5) for detecting the respective absolute position value is coupled to a second of the parts.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche des ersten Teils eine zusätzliche, sinusförmige, durch einen Beschriftungslaser aufbringbare Spur (4X) aufweist, die durch den Lesekopf (5) oder einen weiteren Lesekopf (5) auf dem zweiten Teil erfaßt wird, und daß ein mit dem mindestens einen Lesekopf (5) verbundenes Datenauswertgerät vorgesehen ist, welches die aus der sinusförmigen Spur (4') gewonnen Werte interpoliert und unter Verwendung der Absolutpositionswerte eine noch genauere Absolutpostion ermittelt.2. Device according to claim 1, characterized in that the outer surface of the first part has an additional, sinusoidal track (4 X ) which can be applied by a marking laser and which is detected by the reading head (5) or a further reading head (5) on the second part, and that a data evaluation device is provided which is connected to the at least one reading head (5), which interpolates the values obtained from the sinusoidal track (4') and determines an even more precise absolute position using the absolute position values. ItIt ·« ·1 ·· »J S»·« ·1 ·· »J S» 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lesekopf (5) in Form eines Laserscanners vorgesehen ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a reading head (5) is provided in the form of a laser scanner. 4. Einrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lesekopf (5) in Form einer einzeiligen CCD-Kamera vorgesehen ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a reading head (5) is provided in the form of a single-line CCD camera. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spur (4) aus aufeinanderfolgenden Barcodes besteht.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the track (4) consists of consecutive barcodes. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Teil einer elektrisch verfahrbaren oder verdrehbaren Einheit ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device is part of an electrically movable or rotatable unit. 7. Kolben-Zylinder-Einheit (2) mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutpositionswerte auf der Oberfläche der Kolbenstange (3) aufgebracht sind.7. Piston-cylinder unit (2) with a device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the absolute position values are applied to the surface of the piston rod (3). 8. Kolben-Zyünder-Einheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutpositionswerte auf einer zylinderfesten Oberfläche, insbesondere der Zylinderaußenoberfläche selbst, aufgebracht sind und der mindestens eine Lesekopf (5) auf einem mit dem Kolben gekoppelten Element und zusammen dem Kolben verfahrbar ist.8. Piston-cylinder unit (2) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the absolute position values are applied to a cylinder-fixed surface, in particular the cylinder outer surface itself, and the at least one reading head (5) is movable on an element coupled to the piston and together with the piston.
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