DE3311203C2

DE3311203C2 -

Info

Publication number: DE3311203C2
Application number: DE19833311203
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 8221 Truchtlaching De Burkhardt; Alfons Dipl.-Ing. 8225 Traunreut De 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: 1987-06-11
Also published as: JPS59183317A; DE3311203A1; JPH0352808B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind Vorrichtungen zur Ermittlung von Bezugsposi tionen bekannt, bei denen relativ zueinander be wegliche 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. Eine solche Vorrichtung ist in der DE-PS 19 64 381 beschrieben. Diese Vorrich tung erfordert aber eine ungehinderte Relativbeweg lichkeit der zu messenden Objekte, da Bauteile der Meßeinrichtung fest mit den zu messenden Objekten ver bunden sind und gemeinsam mit diesen bis zu einer Referenzmarke verstellt werden müssen.

Aus der DE-OS 16 73 887 ist ein Meßsystem bei einer Maschine bekannt, das bei auf dem Maschinen bett festgeklemmten Maschinenschlitten die Ermitt lung einer Bezugsposition ermöglicht. Als erstes muß dort der Schlitten in diejenige Position ge fahren 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 ver fahren, bis eine Referenzmarke auftritt. Bei Er reichen der Referenzmarke wird der elektronische Zähler der Meßeinrichtung auf Null gesetzt. So dann kann die Klemmung für die Maschinenteile wieder gelöst und der Schlitten in die gewünschte Position eingefahren werden. Die Lage der Referenz marke stellt also die Bezugsposition für die wei teren Arbeitsgänge dar.

Die bekannten Vorrichtungen zur Ermittlung einer als Ausgangslage definierten Bezugsposition sind jedoch dann nicht mehr ausreichend, wenn bereits Arbeits gänge erfolgt sind, und beispielsweise laufende Ar beitsgänge unterbrochen werden. Die Unterbrechung eines laufenden Arbeitsganges, beispielsweise bei einem Handhabungsautomaten - im allgemeinen als Industrieroboter bezeichnet - ist durch Stromaus fall möglich. Der Roboter bleibt dann in seiner momentanen Position stehen; der auf seine ursprüng liche Bezugsposition bezogene, nach dem Stand der Technik ermittelte Meßwert geht aber durch den Stromausfall verloren, da auch die Messung unter brochen wurde.

Zur Fortführung des unterbrochenden Arbeitsganges müßte jedoch die Bezugsposition bekannt sein. Eine Rückbewegung des Roboters aus seiner Momentposi tion 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, Vor richtungen zum Reproduzieren einer Bezugsposition an zugeben, die die Nachteile der bekannten Vorrich tungen beseitigen, und es ermöglichen, nach unter brochenen Messungen und Bewegungen aus unbekannten Momentanpositionen ohne Bewegung der zu messenden Objekte eine Bezugsposition zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 ange gebene Vorrichtung gelöst, wobei mit den Vorrich tungen nach den Unteransprüchen in besonders gut geeigneter Weise die Bezugspunkt-Ermittlung durch geführt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen für Vorrichtungen zur Durchführung von Bezugspunkt-Ermittlungen sind da her den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit Hilfe von Zeichnungen soll anhand von Ausführungs beispielen die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Winkelmeßgerät zur Ermittlung von Bezugspositionen in Schnittdar stellung,

Fig. 2 Draufsicht auf ein Gerät gemäß Fig. 1, Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine Variante eines Winkelmeß gerätes, Schnittdarstellung,

Fig. 4 einen Schnitt entlange der Linie A-B gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie C-D gemäß Fig. 3 als Sicht auf einen Teilscheibenausschnitt.

Die in Fig. 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 weist dort eine Teilscheibe 3 als Träger einer Gitterteilung 4 auf. Die Gitter teilung 4 wird lichtelektrisch abgetastet. Zu diesem Zweck ist eine zweite Scheibe 5 vor gesehen, die ebenfalls drehbar auf der Welle 2 gelagert ist. Im normalen Betriebszustand steht die zweite Scheibe 5 still, so daß die in ihr be festigte Beleuchtungseinrichtung 6 mit Kondensor 7, Abtastplatte 8 und Fotoelementen 9 ebenfalls orts fest ist und bei Drehung der Teilscheibe 3 deren Bewegung durch Modulation des durch die Gitter teilung 4 und die Abtastplatte 8 hindurchtretenden Lichtstromes in bekannter Weise von den Fotoele menten 9 erfaßt und in einem elektronischen Zähler Z als Meßwert gezählt wird.

Da also die zweite Scheibe 5 im allgemeinen zusam men mit dem Gehäuse 1 still steht, können auf diese Weise Drehbewegungen der Welle 2 - die die Teil scheibe 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 Steuer zwecken an einer Auswerteeinrichtung Z weiterge leitet.

Um bei derartigen inkrementalen Meßvorrichtungen eine Bezugsbasis zu gewinnen, sind entlang der Teilungsspur Referenzmarken vorgesehen (wie beispiels weise in der eingangs erwähnten DE-OS 16 73 887 oder auch der DE-PS 29 52 106 beschrieben). Vor Be ginn eines Bearbeitungszyklus, also vor Beginn einer neuen Messung wird der Greifer B solange ver dreht, 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 Z gesetzt. Während der nachfolgenden Arbeitsbewe gungen des Roboters ist dieser eingangs gewählte Wert die Bezugsbasis. Das Einstellen auf die Be zugsbasis 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 wer den, was natürlich auch die Messung unterbricht.

Bei Stromunterbrechung ist der beim Auftreten der Störung anstehende Wert 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 der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jedoch auch in diesem Falle die Bezugslage wieder hergestellt werden. Zur Durchführung dieses Verfahrens zur Ermittlung der Be zugslage 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 Beleuchtungsein richtung 6, Kondensor 7, Abtastplatte 8 und Foto elementen 9 eine Referenzmarke überfährt. Durch die Referenzmarken wird der Zähler wieder auf "Null" oder auf den anderen gewählten Wert gesetzt, der Antriebsmotor 10 wird abgeschaltet und die Scheibe 5 kehrt in die Position beim Störfall zurück. Da bei werden die Inkremente der Gitterteilung 4 ge zählt, 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 diesen Vorgang zum Reproduzieren einer Bezugsposition kann der Arbeitszyklus fort gesetzt werden.

Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung ist in Fig. 3-Fig. 5 dargestellt.

In einem Gehäuse 31 ist unter anderem eine Welle 32 gelagert, die eine Teilscheibe 33 mit einer in krementalen Gitterteilung 34 trägt (siehe auch Fig. 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 R ₁ bis R _n sind ebenfalls ortsfest im Gehäuse 31 angeord net. Im Ruhezustand ist die Scheibe 35 durch einen Anschlag 353 in ihrer Lage justiert. Diese Lage hat die Scheibe 35 im normalen Betriebszustand inne. Die normale Funktion läuft wie zu den Fig. 1 und 2 beschrieben ab.

Im Störfall kann das Verfahren zum Reproduzieren einer Bezugsposition hier jedoch sehr schnell ab laufen.

Durch die Beleuchtungseinrichtung 36 und den Kon densor 37 wird ein Feld mit bestimmter Größe aus geleuchtet. Auf die Größe dieses Leuchtfeldes sind die Anordnung der Referenzmarken R ₁ bis R _n und die Fotoelemente 39 abgestimmt. Wie aus Fig. 5 er sichtlich ist, ist entlang der Gitterteilung 34 eine Reihe von Referenzmarken R ₁ bis R _n vorge sehen, die auf einer konzentrischen Spur angeord net sind. Die einzelnen Referenzmarken R ₁ bis R _n sind mit Codemarken C ₁ bis C _n versehen und damit sozusagen numeriert. Die Codemarke Ci kennzeichnet den Abstand der zugehörigen Referenzmarke Ri von einem bestimmten Nullpunkt der Gitterteilung 34. Die Verteilung der Referenzmarken R ₁ bis R _n ist so bemessen, daß die Referenzmarke R ₁ genau 100 Gitterteilstriche vom Nullpunkt der Teilung ent fernt ist, die Referenzmarke R ₂ genau 200 Gitter teilstriche usw. Bei einer Gitterkonstanten von 40 µm bedeutet das, daß alle 4 mm eine Referenz marke Ri angeordnet ist.

Die Größe des ausgeleuchteten Feldes ist so aus gelegt, daß bei jeder Stellung der Teilscheibe 33 eine der Referenzmarken R ₁ bis R _n und die zuge hörigen Codemarken C ₁ bis C _n innerhalb dieses 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 R ₁ 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 Rückschwenkbewegung der Scheibe 35 die Gitter striche der Gitterteilung 34 gezählt bis die Scheibe 35 ihre Ausgangslage - fixiert durch den Anschlag 353 - wieder erreicht hat. Die Momentansposition in bezug auf die Bezugsposition ist nun wieder er mittelt und wird dargestellt als der Meßwert, der sich ergibt aus der Referenzmarkenposition (be stimmt durch die Codemarke) und dem dieser über lagerten Zählwert der Gitterstriche der Gittertei lung 34, der bei der Rückbewegung der Abtastplatte 38 mit der Scheibe 35 ermittelt wurde.

Die erschütterungsempfindliche Beleuchtungseinrich tung 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 Schenkbewegung 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 zurück. Eine Feder 354 unterstützt die Rückschwenkung und sichert die exakte Anlage am Anschlag 353. Im Moment der Rückkehr in die Ausgangslage wird durch einen Schalt arm 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 eine Ermittlung einer Bezugsposition 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 Ar beitsabläufen noch derartige "Eichschritte" vom Programm aus gesteuert vorsehen, was die Betriebs sicherheit derartiger Systeme erheblich erhöht.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, diese besonders vorteilhafte Vorrichtung auch als Längenmeßeinrich tung auszuführen.

Ebenso bleibt es ins Belieben des Fachmannes ge stellt, anstelle der Antriebsmotoren zur Verstel lung der Abtasteinrichtung andere Antriebe zu wählen.

Auch eine Umkehrung der Bewegungsabläufe ist mög lich. Die Abtasteinrichtung bleibt ortsfest, und die Teilscheibe mit den Referenzmarken wird ge schwenkt.

Die Ausgestalung der Vorrichtung zur Ermittlung von Bezugspositionen wird der Fachmann nach den Einsatzbedingungen vornehmen.

Claims

1. Vorrichtung zum Reproduzieren einer Bezugsposition bei relativ zueinander beweglichen Objekten, deren Relativlage mittels einer inkrementalen Wegmeßein richtung gemessen wird, bei der eine mit wenigstens einer Referenzmarke versehene Gitterteilung über einen Träger an einem der zu messenden Objekte und eine Abtasteinrichtung mit Hilfe eines weiteren Trägers an dem anderen der vorgenannten Objekte be festigt ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) die Abtasteinrichtung (8, 38) oder die Teil scheibe (3, 33) ist von dem Objekt (A oder B) an dem sie über eine lösbare Kupplung befestigt ist, abkoppelbar und aus ihrer Momentanposition mittels eines Antriebs (10, 11, 12) wenigstens bis zur Abtastung der nächsten Referenzmarke (Ri) und zurück verstellbar, wobei die Lage der Re ferenzmarke (Ri) zum Nullpunkt der Gitterteilung (4, 34) absolut festgelegt ist;
b) die bei der Rückstellbewegung der Abtasteinrich tung (8, 38) oder der Teilscheibe (3, 33) von der Abtastposition der Referenzmarke (Ri) in die vor genannte Momentposition gezählten Teilungsin kremente der Gitterteilung (4, 34) werden zusammen mit dem Positionswert der Referenzmarke (Ri) einer Auswerteeinrichtung (Z) zugeführt, und stellen den momentanen Meßwert, bezogen auf den Teilungs nullpunkt, dar.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Träger (33) außer der inkrementalen Gitterteilung (34) noch eine Anzahl von Referenz marken (R ₁ bis R _n) aufweist, die mit Codemarken (C ₁ bis C _n) versehen sind, deren Lage zum Teilungs nullpunkt absolut festgelegt und durch die Code marken (C ₁ bis C _n) gekennzeichnet ist, daß die Beleuchtungseinrichtung (36, 37) und die Foto elemente (39) ortsfest angeordnet sind und eines der Fotoelemente (39) für die Referenzmarken (R ₁ bis R _n) sich über eine Länge von wenigstens zwei benachbarten Referenzmarken (Ri und Ri + 1) er streckt, und daß die bei der Rückstellbewegung der Abtastplatte (38) von einer der Referenzmarken (Ri) in die vorgenannte Momentanposition gezählten Tei lungsinkremente zusammen mit dem Positionswert der überfahrenen Referenzmarke (Ri) der Auswerteein richtung (7) zugeführt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die codierten Referenzmarken (R₁ bis R _n) so auf dem Träger (33) verteilt sind, daß in jeder beliebigen Momentanposition wenigstens eine codierte Referenzmarke (Ri) im Bereich des Strahlenganges der Beleuchtung (39) liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Bewegung des abgekoppelten Bauteiles (5, 6, 7, 8, 9) mit Hilfe eines Motors (10) und eines Zahnradgetriebes ( 11, 12) erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß ein Zahnrad (12) vom Umfang der Scheibe (5) gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schwenkung des abgekoppelten Bauteiles (35, 38) mit Hilfe eines Motors (310) und eines Exzentergetriebes (311, 352) erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vor- und Rückstellbewegung der Abtastplatte (38) durch eine Umdrehung des motorgetriebenen Exzenters (311) erfolgt, der zwischen den Armen der Gabel (352) angreift.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, da durch gekennzeichnet, daß ein Schaltarm (351) und ein Schalter (355) vorgesehen sind, durch die der Motor (310) am Anschlag (53, 353) still gesetzt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßeinrichtung ein Dreh geber ist, auf dessen Geberwelle (32) die Teil scheibe (33) fest, und die die Abtastplatte (38) tragende Scheibe (35) drehbar angeordnet sind.