DE3438750C1

DE3438750C1 - Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3438750C1
Application number: DE19843438750
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: 1984-10-23
Filing date: 1984-10-23
Publication date: 1986-04-30

Description

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene Positionsmeßeinrichtung auf einfache und schnelle Weise die Reproduktion einer Bezugsposition nach unterbrochenen Messungen und Bewegungen aus unbekannten Momentanpositionen erlaubt, ohne daß die zu messenden Objekte bewegt werden und ohne daß die beiden Teilscheiben absolut konzentrisch justiert werden müssen.
Ein zu messendes Objekt in Form eines Werkzeuges kann bei einer Unterbrechung des Meßvorganges und des Bearbeitungsvorganges durch eine Störung im Eingriff am Werkstück verbleiben, so daß nach Behebung der Störung und Wiederermittlung der Bezugsposition der unterbrochene Bearbeitungsvorgang unverzüglich wieder fortgesetzt werden kann. Ein Zurückziehen des Werkzeuges von der Eingriffstelle am Werkstück und ein erneutes genaues Wiederanfahren dieser Eingriffstelle ist zeitaufwendig und schwierig und kann zu Beschädigungen des Werkstückes führen. Ferner sind beispielsweise bei Industrierobotern programmgesteuerte Überprüfungen der jeweiligen Bezugspositionen zwischen eizelnen Arbeitsabläufen möglich, wodurch die Betriebssicherheit derartiger Systeme erhöht wird.
Die Montage derartiger Meßeinrichtung wird erheblich erleichtert, da die Toleranzgrenzen bei der Fertigung der Einzelteile und deren Montage nicht extrem eng sein müssen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine Winkelmeßeinrichtung im Längsschnitt, Fig.2 eine Ansicht eines Ausschnittes einer ersten Teilscheibe, F i g. 3 eine Ansicht eines Ausschnittes einer zweiten Teilscheibe, F i g. 4 eine Ansicht eines Ausschnittes einer dritten Teilscheibe, F i g. 5 eine Ansicht einer zweiten Abtastplatte.
Die in F i g. 1 im Längsschnitt dargestellte inkrementale Winkelmeßeinrichtung ist mit einem Gehäuse G an einem zweiten zu messenden Objekt 0 2, beispielsweise an einem Gehäuse eines nicht gezeigten Industrieroboters befestigt. Im Inneren des Gehäuses G ist eine Welle W mittels Lager L 1 drehbar gelagert und trägt eine erste Teilscheibe S 1 mit einer ersten Inkrementalteilung T1, die lichtelektrisch von einer im Gehäuse G befestigten ersten Abtasteinrichtung A 1 abgetastet wird, die eine erste Beleuchtungseinheit B 1, einen ersten Kondensor K 1, eine erste Abtastplatte AP 1 mit zwei ersten Teilungsabtastfeldern sowie erste Photoelemente P 1 aufweist. Die erste Inkrementalteilung T 1 in Form eines Radialgitters besteht für ein Durchlichtmeßverfahren aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Streifen, die abwechselnd aufeinander folgen. Der ersten Inkrementalteilung T1 der ersten Teilscheibe S 1 sind auf der ersten Abtastplatte AP 1 zwei erste Teilungsabtastfelder zugeordnet, die zur Erkennung der Drehrichtung der ersten Teilscheibe S t um ein Viertel der Teilungsperiode der ersten Inkrementalteilung T 1 zueinander versetzt sind; die Teilungen der beiden ersten Teilungsabtastfelder, denen erste Photoelemente P 1 zugeordnet sind, stimmen mit der ersten Inkrementalteilung T1 überein. Ferner weist die erste Teilscheibe S 1 noch eine Referenzmarke R 0 auf. Die Abtastplatte AP 1 enthält ein zugehöriges Referenzmarkenabtastfeld, das hier nicht näher bezeichnet ist. Der Referenzmarke R 0 ist ein Photoelement PO zugeordnet. Die Funktion der Referenzmarke R 0 (siehe auch Fig.2) wird später noch erläutert.
Die aus dem Gehäuse G herausragende Welle Wist mit einem ersten zu messenden Objekt O e in Form eines Armes des Industrieroboters verbunden.
Beim eigentlichen Meßvorgang wird bei einer Drehung der Welle W und damit der ersten Teilscheibe S 1 die erste Inkrementalteilung T 1 relativ zu den beiden ersten Teilungsabtastfeldern auf der gehäusefesten ersten Abtastplatte AP 1 gedreht Der von der ersten Beleuchtungseinheit B 1 ausgehende Lichtstrom wird durch die relativ zueinander bewegten Teilungen der ersten Inkrementalteilung T1 und der beiden ersten Teilungsabtastfelder moduliert und fällt auf die zugehörigen ersten Photoelemente Pl, die zwei um 90° zueinander phasenversetzte periodische Analogsignale liefern, die in einer nicht gezeigten Auswerteeinrichtung der Winkelmeßeinrichtung in Impulse umgeformt werden. Diese Impulse werden einem Zähler der Auswerteeinrichtung zur Zählung zugeführt und können in einer nachgeschalteten Anzeigeeinheit als Postionsmeßwerte in digitaler Form angezeigt oder direkt einer numerischen Steuereinrichtung des Industrieroboters zugeleitet werden.
An der Welle Wist konzentrisch zur ersten Teilscheibe S 1 eine zweite Teilscheibe S2 mit einer der ersten Inkrementalteilung T 1 der ersten Teilscheibe S 1 absolut zugeordneten Referenzmarke R 1 befestigt (F i g. 3).
In der Ebene der zweiten Teilscheibe S2 ist an ihrer Peripherie konzentrisch eine kreisringförmige dritte Teilscheibe S3 angeordnet, die über eine transparente Trägerplatte TP am Gehäuse G befestigt ist und eine zweite Inkrementalteilung T2 und eine der zweiten Inkrementalteilung T2 absolut zugeordnete weitere Referenzmarke R 2 aufweist (F i g. 4).
Die Referenzmarke R 1 der zweiten Teilscheibe S2 sowie die zweite Inkrementalteilung T2 und die Referenzmarke R 2 der dritten Teilscheibe S3 werden ebenfalls lichtelektrisch von einer zweiten Abtasteinrichtung A 2 abgetastet, die eine zweite Beleuchtungseinheit B 2, einen zweiten Kondensor K2, eine zweite Abtastplatte AP2, ein Photoelement P2 sowie Photoelemente P3T und P 3R aufweist und im Gehäuse G auf der Welle W mittels Lager L 2 relativ zur zweiten Teilscheibe S 2 und zur dritten Teilscheibe S3 drehbar gelagert ist.
Wie aus Fig.5 ersichtlich ist, sind auf der zweiten Abtastplatte AP 2 der zweiten Abtasteinrichtung A 2 für die zweite Inkrementalteilung T2 der dritten Teilscheibe S 3 zwei zweite Teilungsabtastfelder TF21, TF22 vorgesehen, die jeweils um ein Viertel der Teilungsperiode der zugehörigen zweiten Inkrementalteilung T2 zur Erkennung der Drehrichtung der zweiten Abtastplatte AP 2 zueinander versetzt sind. Die Teilungen der beiden zweiten Teilungsabtastfelder TF21, TF22 stimmen mit der zweiten Inkrementalteilung T2 überein.
Die Referenzmarke R 1 der zweiten Teilscheibe 52 und die Referenzmarke R 2 der dritten Teilscheibe S3 bestehen jeweils aus identischen Strichgruppen mit einer bestimmten unregelmäßigen Strichverteilung, denen auf der zweiten Abtastplatte AP 2 der zweiten Abtasteinrichtung A 2 ein Referenzmarkenabtastfeld RUF 1 und ein weiteres Referenzmarkenabtastfeld RF2 mit identischer Strichverteilung zugeordnet sind. Dem Referenzmarkenabtastfeld RUF 1 auf der zweiten Abtastplatte AP 2 ist ein Photoelement P2 zugeordnet. Den Teilungsabtastfeldern TF21, TF 22 sind Photoelemente P 3 T und dem Referenzmarkenabtastfeld RF2 ist ein Photoelement P 3R in der zweiten Abtasteinrichtung A 2 zugeordnet.
Bei einer inkrementalen Positionsmeßeinrichtung ist es von großer Bedeutung, zu Beginn einer Messung eine Bezugsposition für die erste Teilscheibe S 1 zu bestimmen, die als Ausgangsposition für die Messungen dient und die auch nach Störfällen wieder reproduziert werden kann.
Es wird davon ausgegangen, daß sich vor Beginn einer Messung oder auch im Störfall, bei dem - beispielsweise durch Stromausfall - bekanntlich bei inkrementalen Positionsmeßeinrichtungen der Positionswert verloren geht, die relativ zueinander beweglichen, zu messenden Objekte 0 1, 0 2 im Stillstand befinden. Die erste Teilscheibe S1 befindet sich also in einer Position, in der die Lage ihres Teilungsnullpunktes relativ zum Gehäuse G nicht bekannt ist.
Zur Gewinnung dieser Bezugsposition muß nun die momentane Position der ersten Teilscheibe S 1 bezüglich des Gehäuses G bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird die Eichbetriebsart eingeschaltet, bei der die zweite Abtasteinrichtung A 2 von einem im Gehäuse G befestigten Motor M über ein Getriebe Z in Drehung versetzt wird. Zuerst möge beispielsweise das Referenzmarkenabtastfeld RF2 auf der sich drehenden zweiten Abtastplatte AP2 die zugehörige Referenzmarke R 2 auf der gehäusefesten dritten Teilscheibe S 3 abtasten, so daß das Photoelement P3R der sich drehenden zweiten Abtasteinrichtung A 2 ein Signal liefert, das den Zähler der Auswerteeinrichtung auf den Wert Null setzt und ihn gleichzeitig startet Von diesem Zeitpunkt an werden die von den Photoelementen P3Tbei der Abtastung der zweiten Inkrementalteilung T2 der gehäusefesten dritten Teilscheibe S3 mittels der zugehörigen Teilungsabtastfelder TF21, TF22 auf der sich drehenden zweiten Abtastplatte AP 2 erzeugten periodischen Analogsignale ausgewertet und die Zählimpulse dem Zähler zugeführt Nach dem Zählerstart, also dem Beginn der Zählung der Teilungsinkremente der zweiten Inkrementalteilung T2, wird irgendwann die Referenzmarke R I auf der stillstehenden zweiten Teilscheibe S2 vom zugehörigen Referenzmarkenabtastfeld RF 1 auf der sich drehenden zweiten Abtastplatte AP 2 abgetastet und durch ein Signal des zugehörigen Photoelements P2 der zweiten Abtasteinrichtung A 2 der Zähler der Auswerteeinrichtung gestoppt. Der im Zähler ermittelte Zählwert für den Verstellweg der zweiten Abtasteinrichtung A 2 in Form des Drehwinkels zwischen der Referenzmarke R 1 und der Referenzmarke R 2 gibt direkt den absoluten Positionswert an, den die erste Teilscheibe S 1 momentan zum Gehäuse G einnimmt, da die beiden Referenzmarken R 1, R 2 direkt den Teilungsnullpunkt der zugehörigen Inkrementalteilungen T1, T2 darstellen.
Die zweite Abtasteinrichtung A 2 wird ungefähr wieder in ihre Ausgangslage zurückgedreht und der Motor M stillgesetzt; der Eichvorgang ist damit beendet.
In der Praxis ist diese Eichung bis auf einige Bit genau, was sich in Ungenauigkeiten der letzten Stellen des Meßergebnisses in der Anzeige bemerkbar macht.
Diese Ungenauigkeit rührt von der Exzentrizität her, die bei der Montage der ersten und der zweiten Teilscheibe S 1 und S2 praktisch nicht auszuschließen ist.
Die Lage der ersten Referenzmarke R I zur Inkrementalteilung T 1 wird als Teilungsnullpunkt in der Regel so gewählt, daß beim Eichvorgang die letzten Stellen des Meßergebnisses als »Null« erscheinen sollen. Weichen nun die letzten Stellen des Meßergebnisses von »Null« ab, so ist dies der Exzentrizitätsfehler.
Die erfindungsgemäß auf der ersten Teilscheibe S1 vorgesehene zusätzliche dritte Referenzmarke R 0 läßt sich bereits bei der Teilungsherstellung so genau auf den Teilungsnullpunkt plazieren, daß sie tatsächlich und ohne Fehler den Teilungsnullpunkt festlegt. Vorteilhafterweise werden konzentrisch zur Inkrementalteilung T1 mehrere zusätzliche Referenzmarken R 0, z.B. zweiundsiebzig auf der Teilscheibe S1 angebracht, so daß nach jeweils fünf Winkelgraden immer eine der Referenzmarken R 0 aufscheint.
Vom Zeitpunkt der Abtastung der Referenzmarke R 1 an kann der Zähler für den eigentlichen Meßvorgang wieder von den Zählimpulsen gespeist werden, die bei der Drehung der ersten Teilscheibe S1 bezüglich des Gehäuses G durch die Abtastung der ersten Inkrementalteilung T 1 mittels der beiden Teilungsabtastfelder auf der gehäusefesten Abtastplatte AP 1 und mittels der zugehörigen Photoelemente P 1 der Abtasteinrichtung A 1 erzeugt werden.
Sobald sich aber die Teilscheibe S 1 um maximal fünf Winkelgrade gedreht hat, wird von der Abtasteinrichtung A 1 an einer der Referenzmarken R 0 ein Impuls erzeugt, der die letzten Stellen des Meßergebnisses auf »Null« setzt.
Wie bereits erwähnt, wurde ja der Zähler durch die Referenzmarke R 1 wieder in Gang gesetzt, so daß der Winkelweg der Teilscheibe S 1 erfaßt wurde, wobei der Exzentrizitätsfehler mitgeschleppt wird. Wenn bei der Eichung beispielsweise ein Meßwert von 51,38 Grad ermittelt wurde, so ist die Lage der Teilscheibe T 1 auf 0,38 Grad fehlerhaft bestimmt worden, da ja die Referenzmarke R 1 auf den Teilungsnullpunkt bezogen sein soll.
Wird nun nach der Eichung wieder mit der Zählung begonnen, so erscheint bei absolut 55,00 Grad eine der Referenzmarken R 0. Die Anzeige zeigt jedoch den Meßwert 55,38 Grad an. In diesem Moment werden erfindungsgemäß die letzten Stellen auf »Null« gesetzt, und die Messung ist damit um den Exzentrizitätsfehler korrigiert.

Claims

Patentansprüche: 1. Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte (O i, 02) und zum Reproduzieren einer Bezugsposition nach unterbrochener Messung und Bewegung bei beliebiger unbekannter Momentanposition der zu messenden Objekte (O l, 02), bei der eine Teilung (T 1) einer mit dem ersten Objekt (O 1) verbundenen Teilscheibe (S 1) von einer mit dem zweiten Objekt (02) verbundenen Abtasteinrichtung (A 1) abtastbar ist, und bei der die mit der ersten Teilung (T 1) versehene erste Teilscheibe (S 1) mit einer zweiten Teilscheibe (S 2) konzentrisch fest verbunden ist, die wenigstens eine der ersten Teilung (T1) absolut zugeordnete erste Referenzmarke (R ls) aufweist; bei der mit dem zweiten Objekt (02) eine dritte Teilscheibe (S3) fest verbunden ist, die eine mit wenigstens einer zweiten Referenzmarke (R 2;) versehene zweite Teilung (T2) aufweist, wobei zum Abtasten der Referenzmarke (R lj) auf der zweiten Teilscheibe (S2) und der zweiten Referenzmarke (R 2j) auf der mit der zweiten Teilung (T2) versehenen dritten Teilscheibe (S3) eine zweite Abtasteinrichtung (A 2) relativ zur zweiten Teilscheibe (S2) und relativ zur dritten Teilscheibe (S3) verstellbar ist, und bei der der Verstellweg der zweiten Abtasteinrichtung (A 2) entsprechend dem Abstand zwischen der ersten Referenzmarke (R li) und der zweiten Referenzmarke (R 2;) registrierbar ist, nach Patent 34 15 091, d a -durch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung eines Exzentrizitätsfehlers zwischen der ersten Teilscheibe (S 1) und der zweiten Teilscheibe (S2) auf der ersten Teilscheibe (S 1) wenigstens eine dritte Referenzmarke (R 0;) angeordnet ist, bei deren Abtastung mit der ortsfesten ersten Abtasteinrichtung (A 1) der vorher ermittelte Abstand zwischen der ersten Referenzmarke (R li) und der zweiten Referenzmarke (R 2;) um den Exzentrizitätsfehler korrigiert wird.
2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur durch Abrundung der letzten Stellen des Abstandsergebnisses erfolgt.

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Positionsmeßeinrichtungen ist es zur Ermittlung von Bezugspositionen bekannt, relativ zueinander bewegliche Maschinenteile oder Meßsystemteile aus einer Ausgangsposition bis zu einer Referenzmarke zu verfahren, 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 einer inkrementalen Längen-oder Winkelmeßeinrichtung möglich, wie sie in der DE-PS 19 64 381 beschrieben wird. Dieses Verfahren erfordert aber eine ungehinderte Relativbeweglichkeit der zu messenden Objekte, da die Bauteile der Meßeinrichtung fest mit den zu messenden Objekten verbunden sind und gemeinsam mit diesen bis zu einer Referenzmarke verstellt werden müssen.

Aus der DE-OS 16 73 887 ist eine Meßeinrichtung bei einer Maschine bekannt, die bei einem auf dem Maschi- nenbett festgeklemmten Maschinenschlitten die Ermittlung einer Bezugsposition erlaubt. Zuerst 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 der Meßeinrichtung relativ zum Maßstab verfahren, bis eine Referenzmarke erreicht ist. Bei Erreichen der Referenzmarke wird der elektronische Zähler der Meßeinrichtung auf den Wert Null gesetzt. Sodann kann die Klemmung für den Maschinenschlitten wieder gelöst und der Schlitten in die gewünschte Position gefahren 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 Arbeitsvorgängen erfolgt, sind mit den beschriebenen inkrementalen Meßeinrichtungen jedoch dann nicht mehr möglich, wenn bereits Arbeitsgänge erfolgt sind und beispielsweise laufende Arbeitsgänge unterbrochen werden. Diese 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 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.

Gegenstand des Hauptpatents 34 15 091 ist eine Positionsmeßeinrichtung, bei der eine mit einem ersten Objekt verbundene Welle in einem mit einem zweiten Objekt verbundenen Gehäuse drehbar gelagert ist. Die Welle trägt eine erste Teilscheibe mit einer ersten Teilung und eine zweite Tellscheibe mit einer der ersten Teilung absolut zugeordneten Referenzmarke. Im Gehäuse ist konzentrisch zu den beiden Teilscheiben eine kreisringförmige dritte Teilscheibe mit einer zweiten Teilung sowie mit einer absolut zugeordneten weiteren Referenzmarke befestigt. Zur Abtastung der ersten Teilung ist eine gehäusefeste erste Abtasteinrichtung vorgesehen. Zur Abtastung der einen Referenzmarke sowie der zweiten Teilung mit der weiteren Referenzmarke ist eine zweite Abtasteinrichtung drehbar auf der Welle gelagert Zum Reproduzieren einer Bezugsposition nach unterbrochener Messung und Bewegung bei beliebiger unbekannter Momentanposition der Objekte zueinander ist die zweite Abtasteinrichtung zum Abtasten der weiteren Referenzmarke und der einen Referenzmarke relativ zu den beiden Teilscheiben schwenkbar. Der Winkel zwischen den beiden Referenzmarken wird mittels eines Zählers erfaßt. Durch Exzentrizitätsfehler kann es jedoch zu Fehlern kommen, da die erste und die zweite Teilscheibe in der Praxis kaum genau konzentrisch montiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung der genannten Gattung anzugeben, bei der Exzentrizitätsfehler eliminiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.