DE3311203A1

DE3311203A1 - Verfahren zum reproduzieren einer bezugsposition

Info

Publication number: DE3311203A1
Application number: DE19833311203
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 8221 Truchtlaching Burkhardt; Alfons Dipl.-Ing. 8225 Traunreut Ernst
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1983-03-26
Filing date: 1983-03-26
Publication date: 1984-10-04
Also published as: JPS59183317A; JPH0352808B2; DE3311203C2

Description

Verfahren zum Reproduzieren einer Bezugsposition
================================================ Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es sind Verfahren zur Ermittlung von Bezugspositionen bekannt, bei denen relativ zueinander bewegliche Maschinen- oder Meßsystem-Bausteine aus einer Ausgangsposition bis zu einer Referenzmarke verfahren werden, um den bis dort zurückgelegten Wert zu ermitteln und zu speichern, oder die Referenzmarke zur Bezugsposition mit dem Wert Null zu erklären. Ein solches Verfahren ist mit einem inkrementalen Längen- oder Winkelmeßsystem möglich, wie es in der DE-PS 19 64 381 beschrieben wird. Dieses Verfahren erfordert aber eine ungehinderte Relativbeweglichkeit der zu messenden Objekte, da Bauteile der Meßeinrichtung fest mit den zu messenden Objekten verbunden sind und gemeinsam mit diesen bis zu einer Referenzmarke verstellt werden müssen.
einer Maschine bekannt, das bei auf dem Maschinenbett festgeklemmtem Maschinenschlitten die Ermittlung einer Bezugsposition ermöglicht. Als erstes muß dort der Schlitten in diejenige Position gefahren werden, die später als Bezugsposition zu Null erklärt werden soll. Danach wird der Schlitten auf dem Maschinenbett festgeklemmt. Anschließend wird die Abtastplatte relativ zum Maßstab verfahren, bis eine Referenzmarke auftritt. Bei Erreichen der Referenzmarke wird der elektronische Zähler der Meßeinrichtung auf Null gesetzt. Sodann kann die Klemmung für die Maschinenteile wieder gelöst und der Schlitten in die gewünschte Position eingefahren werden. Die Lage der Referenzmarke stellt also die Bezugsposition für die weiteren Arbeitsgänge dar.
Die bekannten Verfahren zur Ermittlung einer als Ausgangslage definierten Bezugsposition - die vor den eigentlichen Arbeitsgängen erfolgt - sind mit den beschriebenen inkrementalen Meßeinrichtungen jedoch dann nicht mehr möglich, wenn bereits Arbeitsgänge erfolgt sind, und beispielsweise laufende Arbeitsgänge unterbrochen werden. Die Unterbrechung eines laufenden Arbeitsganges, beispielsweise bei einem Handhabungsautomaten - im allgemeinen als Industrieroboter bezeichnet - ist durch Stromausfall möglich. Der Roboter bleibt dann in seiner momentanen Position stehen; der auf seine ursprüngliche Bezugsposition bezogene, nach dem Stand der Technik ermittelte Meßwert geht aber durch den Stromausfall verloren, da auch die Messung unterbrochen wurde.
Zur Fortführung des unterbrochenen Arbeitsganges müßte jedoch die Bezugsposition bekannt sein. Eine Rückbewegung des Roboters aus seiner Momentanposition in die ursprüngliche Ausgangslage scheidet aber in der Regel aus, weil beispielsweise gerade ein Werkzeug im Eingriff ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reproduzieren einer Bezugsposition und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen beseitigen, und es ermöglichen, nach unterbrochenen Messungen und Bewegungen aus unbekannten Momentanpositionen ohne Bewegung der zu messenden Objekte eine Bezugsposition zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst, wobei mit den Vorrichtungen nach den Unteransprüchen das Verfahren gemäß Anspruch 1 in besonders gut geeigneter Weise durchgeführt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen für Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 sind daher den Unteransprüchen zu entnehmen.
Mit Hilfe von Zeichnungen soll anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen Figur 1 ein Winkelmeßgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Schnittdarstellung, Figur 2 Draufsicht auf ein Gerät gemäß Figur 1, Schnittdarstellung, Figur 3 eine Variante eines Winkelmeßgerätes, Schnittdarstellung, Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie A - B gemäß Figur 3 und Figur 5 einen Schnitt entlang der Linie C - D gemäß Figur 3 als Sicht auf einen Teilscheibenausschnitt.
Die in Figur 1 dargestellte Winkelmeßeinrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, das im Gehäuse eines nicht dargestellten Industrieroboters befestigt ist. Eine im Gehäuse 1 drehbar gelagerte Welle 2 ragt in das Gehäuse 1 hinein und trägt dort eine Scheibe 3 mit einer Inkrementalteilung 4 in Form eines Gitters.
Die Inkrementalteilung 4 wird lichtelektrisch abgetastet. Zu diesem Zweck ist eine zweite Scheibe 5 vorgesehen, die ebenfalls drehbar auf der Welle 2 gelagert ist. Im normalen Betriebszustand steht die zweite Scheibe 5 still, so daß die in ihr befestigte Beleuchtungseinrichtung 6 mit Kondensor 7, Abtastplatte 8 und Fotoelementen 9 ebenfalls ortsfest ist und bei Drehung der Teilscheibe 3 deren Bewegung durch Modulation des durch die Gitterteilung 4 und die Abtastplatte 8 hindurchtretenden Lichtstromes in bekannter Weise von den Fotoelementen 9 erfaßt und in einem elektronischen Zähler Z als Meßwert gezählt wird.
Da also die zweite Scheibe 5 im allgemeinen zusammen mit dem Gehäuse 1 still steht, können auf diese Weise Drehbewegungen der Welle 2 - die die Teilscheibe 3 trägt - exakt ermittelt werden.
In einem Industrieroboter ist das Gehäuse 1 fest im Gehäuse A des Industrieroboters befestigt, und die Welle 2 ist fest mit einem Handhabungsbaustein, beispielsweise einem Greifer B verbunden (s. Fig. 3).
Die Drehungen, die der Greifer B ausführt, werden von der Meßeinrichtung erfaßt und zu Meß- oder Steuerzwecken an eine Auswerteeinrichtung Z weitergeleitet.
Um bei derartigen inkrementalen Meßvorrichtungen eine Bezugsbasis zu gewinnen, sind entlang der Teilungsspur Referenzmarken vorgesehen (wie beispielsweise in der eingangs erwähnten DE-OS 16 73 887 oder auch der DE-PS 29 52 106 beschrieben). Vor Beginn eines Bearbeitungszyklus, also vor Beginn einer neuen Messung wird der Greifer B solange verdreht, bis eine der Referenzmarken erreicht ist.
Diese Position wird zu "Null" erklärt, oder es wird dort ein anderer, vorher festgelegter oder durch ein Programm bestimmter Zahlenwert in den Zähler gesetzt. Während der nachfolgenden Arbeitsbewegungen des Roboters ist dieser eingangs gewählte Wert die Bezugsbasis. Das Einstellen auf die Bezugsbasis kann in der Weise geschehen, wie es in der DE-OS 16 73 887 auf Seite 14 oben beschrieben ist.
Wenn- nun während eines Bearbeitungszyklus eine Störung, etwa infolge einer Stromunterbrechung, auftritt, so muß der Arbeitsgang unterbrochen werden, was natürlich auch die Messung unterbricht.
Bei Stromunterbrechung ist der beim Auftreten der Störung anstehende Meßwert verlorengegangen, also auch der Bezug auf die Ausgangsposition. Da jedoch im Störungsfall das Werkzeug des Greifers B in der Regel gerade im Eingriff ist, kann nicht, wie zu Beginn des Arbeitszyklus, der Greifer B solange verdreht werden, bis von der Abtasteinrichtung die ursprüngliche Referenzmarke erfaßt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch auch in diesem Falle die Bezugslage wieder hergestellt werden. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist die Meßeinrichtung mit einem Antriebsmotor 10 ausgerüstet. Der Antriebsmotor 10 weist ein Ritzel 11 auf, das in einer Außenverzahnung 12 der Scheibe 5 kämmt (Fig. 2). Im Falle einer Störung wird der Antriebsmotor 10 angesteuert und verdreht über das Getriebe 11/12 die Scheibe 5 soweit, bis die Abtasteinrichtung bestehend aus Beleuchtungseinrichtung 6, Kondensor 7, Abtastplatte 8 und Fotoelementen 9 eine Referenzmarke überfährt. Durch die Referenzmarken wird der Zähler wieder auf "Nullw oder auf den anderen gewählten Wert gesetzt, der Antriebsmotor 10 wird abgeschaltet und die Scheibe 5 kehrt in die Position beim Störfall zurück. Dabei werden die Inkremente der Gitterteilung 4 gezählt, und die Entfernung der Momentanposition von der Bezugsposition ist wieder bekannt.
Während dieses Vorganges steht der Roboter still.
Gehäuse 1, Welle 2 und Teilscheibe 3 bewegen sich nicht.
Im Anschluß an dieses Verfahren zum Reproduzieren einer Bezugsposition kann der Arbeitszyklus fortgesetzt werden.
In besonders vorteilhafter Weise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß Figur 3 - Figur 5 durchführen.
In einem Gehäuse 31 ist unter anderem eine Welle 32 gelagert, die eine Scheibe 33 mit einer inkrementalen Gitterteilung 34 trägt (siehe auch Figur 5). Im Gehäuseinnern trägt die Welle 32 eine weitere Scheibe 35, an der eine Abtastplatte 38 angebracht ist. Die Scheibe 35 ist auf der Welle 32 drehbar gelagert und trägt an ihrer der Teilscheibe 33 abgewandten Oberseite einen Aufbau, der mit einem Schaltarm 351 und einer Gabel 352 versehen ist. Zwischen den Armen der Gabel 352 greift ein Exzenter 311 an, der auf der Achse eines Antriebsmotors 310 sitzt. Der Antriebsmotor 310 ist ortsfest im Gehäuse 31 in einer Halterung 30 befestigt. Die Beleuchtungseinrichtung 36, der Kondensor 37 und die Fotoelemente 39 zu Abtastung der Gitterteilung 34 und der Referenzmarken R1 bis Rn sind ebenfalls ortsfest im Gehäuse 31 angeordnet. Im Ruhezustand ist die Scheibe 35 durch einen Anschlag 353 in ihrer Lage justiert. Diese tage hat die Scheibe 35 im normalen Betriebszustand inne.
Die normale Funktion läuft wie zu den Figuren 1 und 2 beschrieben-ab.
Im Störfall kann das Verfahren zum Reproduzieren einer Bezugsposition hier jedoch sehr schnell ablaufen.
Durch die Beleuchtungseinrichtung 36 und den Kondensor 37 wird ein Feld mit bestimmter Größe aus- déletchtet. Auf die Größe dieses Leuclltfeldös sind die Anordnung der Referenzmarken R1 bis R und die n Fotoelemente 39 abgestimmt. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ist entlang der Gitterteilung 34 einelReihe von Referenzmarken R1 bis R vorgen sehen, die auf einer konzentrischen Spur angeordnet snd. Die einzelnen Referenzmarken R1 bis R n sind mit Codemarken C1 bis 0 versehen und damit n sozusagen numeriert. Die Codemarke Ci kennzeichnet den Abstand der zugehörigen Referenzmarke Ri von einem bestimmten Nullpunkt der Gitterteilung 34.
Die Verteilung der Referenzmarken R1 bis R ist n so bemessen, daß die Referenzmarke R1 genau 100 Gitterteilstriche vom Nullpunkt der Teilung entfernt ist, die Referenzmarke R2 genau 200 Gitterteilstriche usw. Bei einer Gitterkonstanten von 40 /um bedeutet das, daß alle 4 mm eine Referenzmarke Ri angeordnet ist.
Die Größe des ausgeleuchteten Feldes ist so ausgelegt, daß bei jeder Stellung der Teilscheibe 33 eine der Referenzmarken R1 bis Rn und die zugehörigen Codemarken Cl bis 0 innerhalb dieses n ausgeleuchteten Feldes liegt.
Im Störfalle muß also die zweite der drehbaren Scheiben 35 mit der Abtastplatte 38 lediglich um einen Weg von maximal 4 mm verschwenkt werden, um mit Sicherheit eine der Referenzmarken R1 bis R n und die jeweils bei den Referenzmarken befindliche Codemarke abzutasten. An der Referenzmarke Ri wird dann der Zähler Z auf den Zahlenwert gesetzt, der durch die Codemarke Ci der abgetasteten Referenzmarke Ri festgelegt ist. Von diesem Wert aus werden bei der Rüokschwenkbewegung der Scheibe 35 die Gitter- striche der Teilung 34 gezählt bis die Scheibe 35 ihre Ausgangslage - fixiert durch den Anschlag 353 - wieder erreicht hat. Die Momentanposition in Bezug auf die Bezugsposition ist nun wieder ermittelt und wird dargestellt als der Meßwert, der sich ergibt aus der Referenzmarkenposition (bestimmt durch die Codemarke) und dem dieser über lagerten Zählwert der Gitterstriche der Teilung 34, der bei der Rückbewegung der Abtastplatte 38 mit der Scheibe 35 ermittelt wurde.
Die erschütterungsempfindliche Beleuchtungseinrichtung 36 braucht bei diesem Vorgang nicht bewegt zu werden und wird daher eine längere Lebensdauer haben.
Justierprobleme treten wegen der unveränderbaren Position der Beleuchtungseinrichtung 36 nicht auf.
Die Schwenkbewegung der Scheibe 35 wird durch einen Antriebsmotor 310 vollzogen, auf dessen Achse ein Exzenter 311 sitzt. Der Exzenter 311 liegt zwischen den Armen einer Gabel 352, die auf der Oberseite der Scheibe 35 einen Aufbau bildet. Bei einer Motorumdrehung wird durch das Zusammenwirken des Exzenters 311 mit der Gabel 352 die Scheibe 35 um einen Weg von 4 mm geschwenkt und kehrt in ihre Ausgangslage am Anschlag 353 zuriick. Eine Feder 354 unterstützt die Rückschwenkung und sichert die exakte Anlage am Anschlag 353, Im Moment der Rückkehr in die Ausgangslage wird durch einen Schaltarm 351 am oberseitigen Aufbau der Scheibe 35 ein Schalter 355 betätigt, der den Antriebsmotor 310 stillsetzt.
Der Antriebsmotor 310 weist eine kleine Zeit- konstante auf, so daß eine Umdrehung des Exzenters 311, also auch eine vollständige Schwenkbewegung der Scheibe 35, innerhalb einer zehntel Sekunde vollzogen ist.
Mit der vorbeschriebenen Meßeinrichtung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren derart schnell durchführen, daß nicht nur in Störungsfällen die Bezugsposition wieder sicher reproduziert werden kann, sondern bei einem solchen "Eichschritt" von nur einer zehntel Sekunde Dauer lassen sich bei Robotern ohne weiteres zwischen den einzelnen Arbeitsabläufen noch derartige "Eichschritte" vom Programm aus gesteuert vorsehen, was die Betriebssicherheit derartiger Systeme erheblich erhöht.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dieses besonders vorteilhafte Verfahren auch bei anderen Meßeinrichtungen, beispielsweise bei Längenmeßeinrichtungen durchzuführen.
Ebenso bleibt es ins Belieben des Fachmannes gestellt, anstelle der Antriebsmotoren zur Verstellung der Abtasteinrichtung andere Antriebe zu wählen.
Auch eine Umkehrung der Bewegungsabläufe ist möglich. Die Abtasteinrichtung bleibt ortsfest, und die Teilscheibe mit den Referenzmarken wird geschwenkt.
Die Ausgestaltung der Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fachmann nach den Einsatzbedingungen vornehmen.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Reproduzieren einer Bezugspositi on bei relativ zueinander beweglichen Objekten, deren Relativlage mittels einer inkrementalen Wegmeßeinrichtung gemessen wird, bei der eine mit wenigstens einer Referenzmarke versehene Meßteilung an einem der zu messenden Objekte und eine Abtasteinrichtung an dem anderen der vorgenannten Objekte befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach unterbrochener Messung und Bewegung bei beliebiger, unbekannter, unveränderlicher Momentanposition der vorgenannten Objekte (A und B) zueinander die Meßteilung (4, 34) oder die Abtasteinrichtung (8, 38) von dem zugehörigen ObJekt (A oder B) abgekoppelt und so weit verstellt wird, daß eine Referenzmarke (Ri) überfahren wird, daß anschliessend das gelöste Bauelement (Meßteilung 4, 34 oder Abtasteinrichtung 8, 38) in die definierte Ausgangslage zurückgestellt und dort wieder fixiert wird, und daß dabei der Verstellweg von der überfahrenen Referenzmarke (Ri) bis zur Momentanposition durch eine Auswerteeinrichtung (Z) registriert wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: a) die Abtasteinrichtung (8) ist von einem der zu messenden ObJekte (A oder B) abkoppelbar und aus ihrer definierten Ausgangslage mittels eines Antriebes (10, 11, 12) wenigstens bis zur nächsten Referenzmarke (Ri) und zùrück verstellbar; b) der Träger (3) weist außer der inkrementalen Meßteilung (4) noch wenigstens eine Referenzmarke (Ri) auf, deren Lage zum Teilungsnullpunkt absolut festgelegt ist; c) die bei der Rückstellbewegung der Abtasteinrichtung (8) von der Referenzmarke (Ri) in die definierte Ausgangslage gezählten Teilungsinkremente werden zusammen mit dem Positionswert der Referenzmarke (Ri) einer Auswerteeinrichtung (Z) zugeführt und stellen den momentanen Meßwert, bezogen auf den Teilungsnullpunkt, dar.
3. Vorrichtung mit einer lichtelektrischen Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die*Vereinigung folgender Merkmale: a) der Träger (35) der Abtastplatte (38) ist von einem der zu messenden Objekte (A oder B) abkoppelbar, und aus der definierten Ausgangslage mittels eines Antriebes (310, 311, 352) wenigstens bis zur nächsten Referenzmarke (Ri) und zurück verstellbar; b) der Träger (33) weist außer der inkrementalen Meßteilung (34) noch eine Anzahl von Referenzmarken (R1 bis Rn) auf, die mit Codemarken (C1 bis Cn> versehen sind, deren Lage zum Teilungsnullpunkt absolut festgelegt und durch die Codemarken (C1 bis 1 Cn) gekennzeichnet ist; c) die Beleuchtungseinrichtung (36D 37) und die Fotoelemente (39) sind ortsfest angeordnet, und eines der Fotoelemente (39) für die Referenzmarken (R1 bis R ) erstreckt sich n über eine Länge von wenigstens zwei benachbarten Referenzmarken (Ri und Ri + 1); d) die bei der Rückstellbewegung der Abtastplatte (38) von einer der Referenzmarken (Ri) in die definierte Ausgangslage gezählten Teilungsinkremente werden zusammen mit dem Positionswert der überfahrenen Referenzmarke (Ri) der Auswerteeinrichtung (7) zugeführt und stellen den momentanen Meßwert, bezogen auf den Teilungsnullpunkt, dar.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die codierten Referenzmarken (R1 bis Rn) so auf der Maßverkörperung (34) verteilt sind, daß in jeder beliebigen Momentanposition wenigstens eine codierte Referenmarke (Ri) im Bereich des Strahlenganges der Beleuchtung (39) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des abgekoppelten Bauteiles (5, 6, 7, 8, 9) mit Hilfe eines Motors (10) und eines Zahnradgetriebes (11, 12) erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zahnrad (12) vom Umfang der Scheibe (5) gebildet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung des abgekoppelten Bauteiles (35, 38) mit Hilfe eines Motors (310) und eines Exzentergetriebes (311, 352) erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor- und Rückstellbewegung der Abtastplatte (38) durch eine Umdrehung des motorgetriebenen Exzenters (311) erfolgt, der zwischen den Armen der Gabel (352) angreift.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Ausgangslage durch einen mechanischen Anschlag (53, 353) bestimmt wird.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltarm (351) und ein Schalter (355) vorgesehen sind, durch die der Motor (310) im Moment des Anschlages stillgesetzt wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein Drehgeber ist, auf dessen Geberwelle (32) die Teilscheibe (33) fest, und die die Abtastplatte (38) tragende Scheibe (35) drehbar angeordnet sind.