DE3832457A1

DE3832457A1 - Verfahren und vorrichtung zur absoluten positionsbestimmung an einer drehachse

Info

Publication number: DE3832457A1
Application number: DE19883832457
Authority: DE
Inventors: Daniel Dipl Ing Hobmaier
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 1988-09-23
Filing date: 1988-09-23
Publication date: 1989-11-30
Also published as: DE3832457C2; WO1990003553A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung an einer Drehachse sowie die zugehörige Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.

Zur absoluten Positionsbestimmung werden in der Praxis absolute Positionsmeßsysteme eingesetzt, deren Meßbereich größer als der mögliche Drehweg der Achse ist. Diese Systeme geben für jede Achsenstellung einen definierten absoluten Positionswert aus, der in der Maschinensteuerung oder an anderer Stelle unmittelbar verwertbar ist. Derartige Meßsysteme bestehen im Prinzip aus zwei Teilen, nämlich einem zyklisch absoluten Feinmeßsystem, das zur genauen Bestimmung der Winkellage der Drehachse dient. Sein Zyklus ist normalerweise auf eine Achsenumdrehung beschränkt. Führt die Achse mehrere Umdrehungen aus, kommt ein grobes, über den kompletten Meßbereich absolutes System dazu, das zur Bestimmung des Zyklusses dient, in dem sich das Feinmeßsystem befindet. Entsprechend der Zahl der möglichen Achsenumdrehungen ist das Grobmeßgerät seinerseits in mehrere Stufen unterteilt.

Das vorbekannte absolute Positonsmeßsystem hat den Nachteil, daß es durch seine Mehrstufigkeit einen erheblichen Bauaufwand bedingt, der mit der Zahl der zu kontrollierenden Achsendrehungen wächst. Sein Einsatzbereich ist auf einen bestimmten Zyklus begrenzt und kann nur durch vorgeschaltete Untersetzungen oder weitere Stufen im Positionsmeßsystem erweitert werden. Durch seine Baugröße kann es auch nicht an beliebigen Stellen der Drehachse angeordnet werden, und muß machmal an gefährdeten Stellen untergebracht werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur absoluten Positionsbestimmung an einer Drehachse aufzuzeigen, die keinen Beschränkungen im Arbeitsbereich unterliegen und einen geringeren Bauaufwand bedingen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.

Erfindungsgemäß kommt ein zyklisch absoluter Positionsgeber zum Einsatz, dessen Zyklus kleiner als der Drehbereich der Achse ist. Der Positionsgeber vermittelt nur innerhalb seines Zyklus einen absoluten Positionswert. Um die Zahl der durchlaufenen Zyklen und auch die Drehrichtung zu bestimmen, werden die ausgegebenen absoluten Positionswerte miteinander verglichen und bewertet. Der letztendlich zur Verfügung stehende absolute Positonswert setzt sich aus einem niedrigwertigen Teil, der der Postion des Positionsgebers entspricht und einem höherwertigen Teil zusammen, der dem Zyklus entspricht, in dem sich dieser befindet.

Das erfindungsgemäße Positionsmeßsystem hat einen beliebigen ausdehnbaren Arbeitsbereich und ist für alle Arten von Achsen geeignet. Bei Linearachsen kann die translatorische in eine rotatorische Bewegung umgesetzt werden. Als Drehachse wird dann die Umsetzung betrachtet.

Das erfindungsgemäße Positionsmeßsystem hat in der bevorzugten Ausführungsform einen einstufigen Positionsgeber, also nur eine Feinmeßeinrichtung. Dies bedeutet für den Positionsgeber einen minimalen Bauaufwand und eine kleine Baugröße. Er kann dadurch an beliebigen Stellen der Drehachse plaziert werden. Der Positionsgeber kann aber auch als mehrstufiger zyklisch absoluter Geber ausgebildet sein, dessen Zyklus kleiner als der Meßbereich ist.

Der Positionsgeber kann konstruktiv beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als optisch abtastender Geber, Potentiometer, Resolver oder dergleichen. Er ist mit einer Vergleichsschaltung gekoppelt, die als eigenständiges hardwaremäßiges Bauteil dem Positionsmeßsystem zugeorndet sein kann. Die Vergleichsschaltung kann aber auch in die Maschinensteuerung, beispielsweise bei einem Manipulator oder einem mehrachsigen Industrieroboter, integriert sein. In der Steuerung können die Vergleichs-, Bewertungs- und Speicheroperationen über einen speziellen Programmteil in der ohnehin vorhandenen Rechnereinheit durchgeführt werden.

Ja nach konstruktiver Ausgestaltung kann der Positionsgeber die Positionswerte kontinuierlich oder taktweise abfragen. Bei kontinuierlicher Abfrage ergibt sich aus einem Vergleich der Positionswerte nach Größe und Reihenfolge direkt die Drehrichtung und der Zykluswechsel. Bei getakteter Abfrage ergeben sich je nach Höhe der maximal möglichen Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung der Drehachse bzw. der Geberachse sowie der zur Verfügung stehenden Taktzeit unterschiedliche Varianten.

Im ersten Fall, in dem zwischen zwei Abfragen der Zyklus um weniger als die Hälfte abläuft, kann neben dem Zykluswechsel auch ständig die Drehrichtung überwacht werden. Falls höhere Drehgeschwindigkeiten der Achse vorliegen und die Taktzeit begrenzt ist, kann auf eine zweite Möglichkeit übergegangen werden. Hier wird bei der maximalen Geschwindigkeit mindestens noch einmal pro Zyklus abgefragt, wobei zwischen zwei Abfragen der Zyklus aber nicht ganz durchläuft. Bei dieser Variante wird die Drehrichtungserkennung nur anfangs bei einer relatv niedrigen Geschwindigkeit abgefragt und dann abgeschaltet. Oberhalb dieses Schwellwertes ist die Geschwindigkeit so hoch, daß Drehrichtungwechsel innerhalb der Taktzeit bei der zur Verfügung stehenden maximalen Beschleinigung nicht möglich sind.

Beim Anlauf geht das Positionsmeßsystem von einem vorbesetzten Wert aus. Um beim Abschalten und Wiederanlauf etwaige zwischenzeitliche Verdrehungen zu registrieren, werden die End- und Anfangspositionswerte auf Gleichstand überprüft. Weichen sie innerhalb einer vorgegebenen Toleranz voneinander ab, sollte das System neu justiert werden. Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit wird anhand der Positionswerte ständig überwacht, ob die Achse sich dreht oder nicht. Der entsprechende Status wird laufend abgespeichert und beim Wiederanlauf abgefragt. War die Achse beim Abschalten in Bewegung, empfielt sich ebenfalls eine Neujustierung.

Das erfindungsgemäße Positionsmeßsystem kann nicht nur zur Ermittlung der Abtriebsstellung der Drehachse, sondern auch zur Kontrolle und Steuerung eines Drehstrommotors herangezogen werden. Hierdurch wird der für eine ordnungsgemäße Feldansteuerung benötigte Positionsgeber eingespart. Dies bewirkt sich vor allem bei Drehstrommotoren mit Sinusspeisung aus, die einen relativ genau messenden Positionsgeber benötigt.

Beim erfindungsgemäßen Positionsmeßsystem kann durch die Mitführung der Zyklenzahl in einem elektrischen Zähler bei Betriebsstörungen eine Neujustierung und Vorbesetzung der Zyklenzahl erforderlich sein. Die Justierung muß auch während der Betriebszeit einfach, schnell und sicher durchführbar sein, was mit den bekannten mechanischen Tiefenmeßuhren mit Handbetrieb nicht möglich ist.

Die Erfindung löst diesen zusätzlichen Aufgabenaspekt mit dem nebengeordneten Verfahrens- und Vorrichtungsanspruch.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich auch in Verbindung mit absoluten oder relativen Positionsmeßsystemen nach dem Stand der Technik mit Erfolg einsetzen. Für das erfindungsgemäße Positionsmeßsystem verkürzen sie entscheidend die Justierungszeiten und ermöglichen eine automatische Justierung mit hoher Meßsicherheit und Reproduzierbarkeit. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit läßt sich vor dem Wiederanlauf der Maschine kurz ein Justrierlauf einschieben. Der Anwendungsbereich erstreckt sich auch auf Linearachsen oder eine gegenseitige Justierung beliebiger Maschinenteile.

Zur Anzeige der mechnischen Nullstellung dienen Markierungen auf der Achse, vorzugsweise Kerben, Buckel oder sonstige eindeutig erfaßbare Konturänderungen. Die Oberfläche der Achse und der Markierung wird von einer Abtastvorrichtung mechanisch oder berührungslos abgetastet. Das Abtastverfahren kann optisch, beispielsweise mit Gabellichtschranke und einer Markierung in Form einer Schaltfahne, durch induktives oder kapazitives Abtasten von lokalen Feldänderungen oder dergleichen erfolgen. Beim bevorzugten Konturenabtasten, das ebenfalls mit mechanischer Berührung oder berührungslos ablaufen kann, wird nur die relative Höhenänderungen überwacht. Die Abtastvorrichtung muß daher nicht im Abstand gegenüber der Achse justiert werden. Der den mechanischen Nullpunkt definierende Kerbengrund oder Buckelscheitel wird als Sprungstelle im Höhenänderungssignal erkannt und führt zur Speicherung und/oder Besetzung des Positionswertes des mitgeführten Positionsmeßsystems.

Beim erfindungsgemäßen Positionsmeßsystem wird der Positions-Istwert der Feinmeßeinrichtung gespeichert und zugleich der dem Zyklus entsprechende höherwertige Teil neu vorbesetzt. Es erfolgt dabei eine Speicherung des kompletten Positions-Istwertes. Ist die Feinmeßeinrichtung fest justiert, genügt auch nur ein Vorbesetzen der Zykluszahl. Bei relativen Systemen, wie Inkrementalzählern oder dgl. wird der Bezugspunkt neu besetzt und definert.

Eine Sprungstelle stellt sich ein, wenn eine durch Höhenänderung festgestellte Kerben- oder Buckelflanke in den Grund bzw. Scheitel oder die Gegenflanke übergeht und die Höhenänderung sich entsprechend wandelt. Dieser Wechsel in der Höhenänderung läßt sich zuverlässig und genau erfassen und signaltechnisch mit hoher Sicherheit auswerten.

Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit empfiehlt es sich eine Überwachung der Zeitdauer des anstehenden Höhenänderungssignals, um die Nullstellen-Markierung zuverlässig von Oberflächenfehlern der Achse zu unterscheiden. Die Merkmale der Markierung, z. B. Länge der Kerbenflanke, Dauer der optischen Verdunkelung, Folge von Hell/Dunkelfeldern oder dgl. können auch exakter beschrieben und in der Steuerung abgelegt sein. Beim Abtasten werden die gefundenen Merkmale mit den gespeicherten zur exakteren Identifizierung der Markierung verglichen. Es kann auch ein kompletter Konturenvergleich stattfinden.

Zur Steigerung der Betriebssicherheit kann im weiteren der Suchlauf zumindest einmal und gegebenenfalls mit anderer Bewegungsrichtung wiederholt werden. Hierdurch lassens sich temporäre, das Ergebnnis verfläschende Umwelteinflüsse, wie Resonanzschwingungen oder dgl. eliminieren.

Die Abtastvorrichtung kann unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als berühungsloser optischer, induktiver, kapazitiver Taster oder dgl. Sie besitzt vorzugsweise einen mechanischen, die Oberflächenkontur der relativ bewegten Achse nachfahrenden Fühler, der mit einer elektrischen Meßeinrichtung, beispielsweise einer Spule gekoppelt ist. Die Meßeinrichtung gibt vorzugsweise ein binär codiertes Signal ab, was sich zur Meldung von Sprungstellen und für die Weiterverarbeitung in modernen Steuerungen empfiehlt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Industrieroboter mit mehreren Positionsmeßsystemen,

Fig. 2 einen schematischen Spaltplan des Positionsmeßsystems,

Fig. 3 eine Abtastvorrichtung zur Nullstellungsjustage einer Drehachse und

Fig. 4 eine Abstastvorrichtung zur Nullstellungsjustage einer Linearachse.

In Fig. 1 ist ein sechsachsiger Industrieroboter (10) mit einer Schwinge (11), einem Ausleger (12) und einer Roboterhand (13) dargestellt. Die verschiedenen Teile der Roboterhand (13) werden über drei Achsen (2) betätigt, die endseitig am Ausleger (12) aufgespreizt und mittels bürstenloser Drehstrommotoren (9) angetrieben werden. Die Drehachsen (2) setzen sich in den Rotorwellen (8) fort, an deren Ende jeweils ein Positionsmeßsystem (1) angeordnet ist. Über die Positionsmeßsysteme (1) wird sowohl die absolute Drehstellung der Achse (2), als auch die Winkelstellung der Rotorwelle (8) mit ihren Permanentmagneten gegenüber den außenseitigen Drehfeldwicklungen gemessen und an die Steuerung des Industrieroboters (10) gemeldet.

Die Positionsmeßsysteme (1) verfügen über zyklisch absolute Drehgeber (3), hier in Form von Resolvern, die innerhalb einer Motorumdrehung bzw. bei mehrpoliger Ausbildung innerhalb eines Teils der Motorumdrehung ein absolutes Signal, beispielsweise 12 bit, abgeben. Die Drehachsen (2) können beliebig weit drehen, wobei trotz des zyklisch absoluten Positionsgebers (3) jede Drehstellung absolut nach Zahl der Zyklen und Winkelstellung im letzten Zyklus ermittelt werden kann.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau des Positionsmeßsystems (1). Es besteht aus dem vorerwähnten Positionsgeber (3), der einstufig aufgebaut ist und nur eine Feinmeßeinrichtung (4), hier in Form einer Absolutwertscheibe aufweist. Die Absolutwertscheibe (4) ist mit der Drehachse (2) direkt oder über eine Übersetzung verbunden. Bei der gezeigten Direktverbindung entspricht der Zyklus der Scheibe (4) einer Umdrehung der Drehachse (2). Die Absolutwertscheibe (4) ist kodiert und zeigt 2ⁿ verschiedene Positionen, beispielsweise 1024.

Der optisch, elektrisch oder auf sonstige Weise abgelesene Positionswert wird einer Vergleichsschaltung (5) mit einem Speicher (6) und einem Zähler (7) zugeführt. Die Vergleichsschaltung (5) ermittelt aus den gemessenen Positionsabsolutwerten durch Vergleich und Bewertung die Drehrichtung der Achse (2) sowie die Zahl der Zyklen und gibt ein entsprechendes absolutes Positions- und Richtungssignal an die Robotersteuerung ab. Die Vergleichsschaltung (5) ist im gezeigten Ausführungsbeispiel hardwaremäßig als separate elektronische Schaltung ausgeführt, die dem Positionsgeber (3) direkt zugeordnet und in seinem Gehäuse untergebracht ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 hingegen ist die Vergleichsschaltung (5) in die Robotersteuerung integriert und wird durch einen Programmteil in der Recheneinheit realisiert.

Ein kompletter absoluter Positionswert setzt sich aus einem niederwertigen Teil, der der Stellung des Positionsgebers (3) bzw. der Feinmeßeinrichtung (4) entspricht und einem höherwertigen Teil, der dem Zyklus entspricht, in dem sich die Feinmeßeinrichtung (4) befindet, zusammen. Einmalig, bei Inbetriebnahme oder Neujustierung des Positionsmeßsystems (1) wird der höherwertige Teil an einer bekannten Position der Drehachse (2) auf den entsprechenden Wert, beispielsweise Null für Achsenanschlag, vorbesetzt. Ab diesem Zeitpunkt wird ein Zyklenwechsel der Feinmeßeinrichtung (4) überwacht. Findet ein Wechsel in der als positiv definierten Richtung statt, wird der höherwertige Teil im Zähler (7) um 1 erhöht, bei einem Wechsel in entsprechend negativer Richtung um 1 erniedrigt.

Hierzu werden die Positionswerte der Feinmeßeinrichtung (4) taktweise abgefragt, in der Vergleichsschaltung (5) zwischengespeichert und miteinander verglichen. Hierfür gibt es mehrere Varianten:

Variante 1

Es wird vorausgesetzt, daß sich die Position der Feinmeßeinrichtung (4) mit 2ⁿ verschiedenen Positionen pro Zyklus (hier eine Umdrehung) zwischen zwei Bearbeitungs- bzw. Abfragezeitpunkten um weniger als 2^n-1 ändert. Anders gesagt läuft zwischen zwei Abfragen weniger als der halbe Zyklus ab. Hierzu sind Abfragetakt und die maximale Drehgeschwindigkeit der Geberachse, die hier mit der Drehachse (2) identisch ist, entsprechend aufeinander abgestimmt.

Ein Zyklenwechsel fand statt, wenn der Betrag der Positionsdifferenz der Feinmeßeinrichtungswerte zwischen aktueller Position P _t und P _t-1 zum vorigen Bearbeitungs- bzw. Abfragezeitpunkt größer oder gleich 2^n-1 ist, d. h. der 1/2 Zykluslänge ist. Nachdem bei maximaler Drehgeschwindigkeit der Achse (2) zwischen zwei Abfragezeitpunkten nur weniger als die Hälfte der zur Verfügung stehenden Positionen überstrichen werden kann, läßt sich ein höhrerer Betragswert der Positionsdifferenz nur mit einem Null-Durchgang, d. h einem Zyklenwechsel erklären. Umgekehrt bedeutet ein Betrag der Positionsdifferenz von weniger als der Hälfte der zur Verfügung stehenden Positionen, daß kein Zykluswechsel vorliegt. Nachdem nur der Betrag der Positionsdifferenz betrachtet wird, gilt die Unterscheidung sowohl für die positive als auch die negative Achsendrehrichtung.

|P _t-P _t-1| ≧ 2^n-1 ja → Zyklenwechsel; nein → kein Zyklenwechsel.

Ist bei einem erkannten Zyklenwechsel der aktuelle Positionswert P _t der Feinmeßeinrichtung (4) größer als der Positionswert P _t-1 zum vorigen Bearbeitungs- bzw. Abfragezeitpunkt, fand ein Zyklenwechsel in negativer Richtung statt, andernfalls in positiver Richtung.

Es wurde Zyklenwechsel erkannt:

P _t<P _t-1 → Zyklenwechsel in negativer Richtung,
P _t<P _t-1 → Zyklenwechsel in positiver Richtung.

Fand kein Zyklenwechsel statt, entspricht die Drehrichtung dem Vorzeichen der Positionsdifferenz P _t-P _t-1.

Variante 2

Es wird diesmal vorausgesetzt, daß sich zwischen zwei Bearbeitungs- bzw. Abfragezeitpunkten die Position der Feinmeßeinrichtung (4) mit 2ⁿ Positionen um weniger als 2ⁿ ändert. Der Positionsgeber (3) wird damit mindestens einmal in seinem Zyklus abgefragt. Außerdem ist die maximal mögliche Positionsänderungsgeschwindigkeit b, d. h. die Beschleunigung der Geberachse bzw. Drehachse (2), kleiner oder gleich 2^n-2 zwischen zwei Bearbeitungszeitpunkten. Unter dieser Voraussetzung kann die maximale Drehgeschwindigkeit der Geberachse bzw. der Drehachse (2) wesentlich höher als bei der Variante 1 sein.

Ausgehend vom Stillstand, z. B. bei Einschalten der Drehachse (2) und des Positionsmeßsystems (1), wird bis zu einer betragsmäßigen Geschwindigkeit von

|P _t-P _t-1| ≦ 2^n-1 - b

gemäß Variante 1 verfahren. Dieser Schwellwert hängt maßgeblich von der maximal möglichen Achsenbeschleunigung ab. Entsprechend Variante 1 wird bis zum Erreichen des Schwellwertes der Achsengeschwindigkeit mindestens zweimal pro Zyklus abgefragt, wobei zwischen zwei Abfragezeitpunkten weniger als die Hälfte der zur Verfügung stehenden Positionen überstrichen wird.

Übersteigt die Geschwindigkeit den vorgenannten Schwellwert, wird die Richtungserkennung abgeschaltet und als aktuelle Drehrichtung die Richtung verwendet, die zum Abschaltzeitpunkt vorlag. Dies gilt, bis die Geschwindigkeit wieder unter den Schwellwert sinkt und die Richtungserkennung entsprechend Variante 1 wieder zugeschaltet wird.

Zyklenwechsel bei einer Geschwindigkeit<|2^n-1-b| werden erkannt, wenn die Positon P _t des Feinmeßsystems zum aktuellen Zeitpunkt bei erkannter negativer Richtung größer als die Position P _t-1 zum letzten Abfragezeitpunkt ist. Bei erkannter positiver Richtung ist hingegen P _t kleiner als P _t-1.

Bei erkannter vorgegebener Drehrichtung werden Zyklenwechsel erkannt:

P _t<P _t-1 → Zyklenwechsel bei negativer Drehrichtung,
P _t<P _t-1 → Zyklenwechsel bei positiver Drehrichtung.

Bei einem abgeschalteten Positionsmeßsystem (1) können Zyklenwechsel nicht erkannt werden. Um die Sicherheit gegen unbemerkte Achsenverdrehungen zu erhöhen, werden die Positionsanfangswerte und die Bewegungen der Drehachse überprüft. Hierdurch wird die Übereinstimmung des berechneten absoluten Positions-Istwertes mit der tatsächlichen Drehstellung der Achse (2) sichergestellt.

In der Vergleichsschaltung (5) wird der jeweils letzte Positionswert des Positionsgebers (3) im Speicher (6) abgelegt und bleibt auch bei einem Abschalten des Positionsmeßsystems (1) oder einem Stromausfall erhalten. Variiert der erst neu abgefragte Positionswert nach Wiederanlauf der Drehachse (2) und des Positionsmeßsystems (1) um mehr als einen zugelassenen Toleranzwert vom zuletzt gespeicherten Positionswert, ist die Übereinstimmung zwischen Drehstellung der Achse (2) und dem berechneten Positions-Istwert nicht mehr gewährleistet. Die notwendige Toleranz ergibt sich aus anlagenspezifischen Schwankungen, beispielsweise Wärmedehnungen und dergleichen. Bei Überschreiten der Toleranz wird die Achse neu justiert und der höherwertige Positionsteil, d. h. die Zykluszahl, erneut vorbesetzt.

Während des Betriebs wird über die Vergleichsschaltung (5) ständig kontrolliert, ob sich die gemessenen Positionswerte ändern oder still stehen, d. h. ob die Achse (2) sich dreht oder steht. Dieser Status wird laufend abgespeichert und bleibt ebenfalls beim Abschalten oder bei Stromausfall gesichert.

Beim Wiederanlauf der Drehachse (2) und des Positionsmeßsystems (1) wird der Status abgefragt. Ergibt sich, daß beim Ausschalten bzw. Abkoppeln des Positionsmeßsystems (1) die Achse (2) nicht stillstand, ist die Korrektheit des absoluten Positionswertes ebenfalls nicht mehr gewährleistet. Die Achse (2) wird neu justiert und der höhere Positionsteil erneut vorbesetzt.

Abwandlungen der vorbeschriebenen Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen kann der Positionsgeber (3) über eine Übersetzung mit der Drehachse (2) verbunden sein. Entsprechend der Übersetzung ändert sich ein Zyklus und die Positionsänderungsgeschwindigkeit beim Ablesen. Der Zyklus des Positionsgebers kann auch kleiner als eine komplett Dreh- und Geberachsenumdrehung sein. Der Positionsgeber (3) kann ferner mehrstufig ausgebildet sein, wodurch sein Zyklus beispielsweise 2ⁿ Umdrehungen der Achse entspricht, z. B. 512 Umdrehungen. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vergleichsschaltung (5) kann damit auch ein vorbekannter Positionsgeber im Arbeitsbereich über seinen Zyklus hinaus beliebig erweitert werden. Varrieren kann auch die Art der Kodierung des Positionsgebers. Bei extremen Achsengeschwindigkeiten kann die Taktzeit für die Abfragen verkürzt oder die vorgenannte Übersetzung zwischen die Drehachse und den Positionsgeber geschaltet werden.

Fig. 3 und 4 zeigen eine Abtastvorrichtung (14), mit deren Hilfe eine Drehachse (2) gemäß Fig. 3 oder eine Linearachse (22) gemäß Fig. 4 auf die mechanische Nullstellung justiert werden kann. Bei der Drehachse (2) handelt es sich beispielsweise um eine Manipulator- oder Roboterachse. Die Achsen (2, 22) sind gegenüber einem Achsengehäuse bzw. einer Halterung (17) für die Abtastvorrichtung (14) bewegbar, wobei der gegenseitige Abstand gleich bleibt. Sie sind mit einem Positionsmeßsystem (nicht dargestellt) verbunden, vorzugsweise einem System gemäß Fig. 1 und 2, das ihre Stellung relativ oder absolut anzeigt.

Die Abtastvorrichtung (14) ist als elektronischer Meßtaster ausgebildet. Sie weist ein Gehäuse (18) auf, aus dem nach unten ein federbelasteter mechanischer Fühler (15) in Richtung zur Oberfläche der Achsen (2, 22) herausragt und diese Oberfläche bei der Relativbewegung abtastet. Die Abtastvorrichtung (14) kann für Einzelmessungen lösbar oder für Dauerbetrieb fest mit dem Achsgehäuse bzw. der Halterung (17) verbunden sein. Letzteres empfiehlt sich für die Achsen- und Positionsgeberjustierung an Manipulatoren oder mehrachsigen Industrierobotern.

Der Suchlauf wird von einer markierten Achsenposition aus gestartet. Der Fühler (15) taucht dabei in eine Meßkerbe (19) ein, die die mechanische Nullstelle der Achse (2, 22) repräsentiert. Alternativ kann als Markierung auch eine Erhebung dienen.

In der Meßkerbe (19), die in dem strichpunktierten Kreis vergrößert dargestellt ist, bewegt sich der Fühler (15) während der Relativbewegung auf der abfallenden Kerbenflanke nach unten, gleitet über den Kerbengrund (20) und steigt anschließend wieder auf der anderen Kerbenflanke nach oben.

Im Gehäuse (18) des Meßtasters (14) ist eine Meßeinrichtung (16) angeordnet, die die relativen Höhenbewegung des Fühlers (15) überwacht und mißt. Teile der Meßeinrichtung (16) können auch extern, z. B. in der Maschinensteuerung angeordnet sein. Der Meßtaster (14) gibt ein der relativen Höhenänderung des Fühlers (15) entsprechendes, binär codiertes Signal ab. Er besitzt zwei digitale Ausgänge:

Die Achse (2, 22) wird von Hand bis kurz vor die Stelle gefahren, wo die mechanische Null sich befindet. Die anzufahrende Stelle kann z. B. durch Pfeile gekennzeichnet sein. Wird dann die Maschine eingeschaltet, bewegt sich die Achse (2, 22) mit der in der Steuereinrichtung der Maschine oder des Roboters eingestellten Richtung und Geschwindigkeit, und der Fühler (15) des Meßtasters (14) läuft dabei durch die Meßkerbe (19). Der Meßtaster (14) liefert für die gezeigte Kerbenform mit flachem Grund folgende Signale über die Ausgangsleitung (23) an die Steuereinrichtung der Maschine bzw. des Robotors:

11 → Abstand Taster-Untergrund gleichbleibend, Fühler noch vor der Kerbe,
10 → Abtand Taster-Untergrund vergrößert sich, d. h. Kerbe gefunden,
11 → Abstand Taster-Untergrund gleich, d. h. Fühler auf Kerbengrund,
01 → Abstand Taster-Untergrund verringert sich, d. h. Fühler verläßt die Kerbe.

Bei einer V-förmigen Kerbe, in deren Grund der Fühler (5) unter gleichzeitiger Anlage an beiden Flanken eintritt, entfällt das Signal 11 am Kerbengrund (20). Es erfolgt ein direkter Umschlag von 10 und 01.

An den Sprungstellen in der Kerbe (19), wo die Flanke in den Kerbengrund oder die Gegenflanke übergeht, bewirkt das Signal der Meßeinrichtung (16) eine Speicherung des aktuellen, vom mitgeführten absoluten Feinmeßsystem gemeldeten Positions-Istwertes. Für das zyklisch absolute Positionsmeßsystem gemäß Fig. 1 und 2 wird zugleich der Zykluswert auf Null gesetzt.

In der Meßeinrichtung (16) oder der Maschinensteuerung wird auch die Zeit gemessen, in der ein die Höhenänderung anzeigendes Signal (10 oder 01) ansteht. Die Zeit repräsentiert einen Referenzwert für die Flankenlänge der Vertiefung oder Erhebung. Erst wenn das Signal über eine vorgebene, der Flankenlänge in etwa entsprechenden Mindestdauer konstant ist, wird der nachfolgende Signalwechsel registriert und ausgewertet, d. h. der Positions-Istwert gespeichert. Oberflächenfehler können damit das Justierergebnis nicht verfälschen.

Aus dem vom Meßtaster (14) initiierten Positions-Istwert beim Eintreten in den Kerbengrund (10-11 Übergang) und dem Positions-Istwert beim Verlassen des Kerbengrunds (11- 01 Übergang) läßt sich der Positionswert in der Mitte des Kerbengrunds (20) (entspricht der mechanischen Nullstelle) berechnen. Bei spielfreiem Kerbengrund ist der Istwert in der mechanischen Nullstelle identisch mit dem Istwert beim 10-01 Übergang des Tasters.

Der Suchlauf wird mehrmals, insbesondere zweimal durchgeführt, wobei die Bewegungsrichtung der Achse (2, 22) gleichbleibend oder wechseln kann. Die in jedem Lauf gespeicherten Positionswerte werden miteinander auf Gleichstand verglichen. Abweichungen außerhalb der Toleranz führen zum Abbruch der Justage und bedingen eine Fehlersuche.

Zusammen mit der bekannte Verschiebung bzw. Differenz zwischen der mathematischen bzw. elektrischen Null und der mechanischen Null kann die Zuordnung elektrischer Achs-Istwert zum mechanischen Achsabtriebswinkel berechnet werden.

Stückliste

1 Positionsmeßsystem
2 Drehachse, Roboterachse
3 Positionsgeber, zyklisch absolut
4 Feinmeßeinrichtung, Absolutwertscheibe
5 Vergleichsschaltung
6 Speicher
7 Zähler
8 Rotorwelle
9 Drehstrommotor
10 Manipulator, Industrieroboter
11 Schwinge
12 Ausleger
13 Roboterhand
14 Abtastvorrichtung, elektronischer Meßtaster
15 Fühler
16 Meßeinrichtung
17 Achsgehäuse, Halterung
18 Gehäuse
19 Meßkerbe
20 Kerbengrund
21 mechanische Nullstelle
22 Linearachse
23 Signalleitung

Claims

1. Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung an einer Achse, insbesondere Drehachse, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Drehachse verbundener zyklisch absoluter Positionsgeber mindestens einmal pro Zyklus abgefragt wird, wobei die abgefragten Absolutwerte zwischengespeichert werden, und daß der aktuelle Absolutwert mit dem jeweils vorhergehenden Absolutwert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis die Drehrichtung bestimmt und die Zyklenwechsel gezählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber getaktet abgefragt wird, wobei der Abfragetakt und die maximal mögliche Achsengeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt sind, daß zwischen zwei Abfragen der Zyklus um weniger als die Hälfte abläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber getaktet abgefragt wird, wobei der Abfragetakt, die maximal mögliche Achsengeschwindigkeit und die maximal mögliche Achsengeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt sind, daß zwischen zwei Abfragen der Zyklus weniger als ein Mal abläuft und die maximal mögliche Beschleunigung kleiner oder gleich ein Zyklus-Viertel ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abschalten des Positionsmeßsystems der letzte Positionswert abgespeichert und beim Wiederanlauf mit dem zuerst gemessenen Positionswert auf Gleichstand überführt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß während des Meßbetriebs die Positionswerte auf Änderung und Stillstand überwacht und der Statur laufend abgespeichert wird.

6. Verfahren zur Nullstellungsjustage einer Achse mit einem Positionsmeßsystem, wobei während der Bewegung der Achse deren Oberfläche durch eine Abtastvorrichtung auf eine Nullstellungs-Markierung abgetastet wird, insbesondere nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überfahren der Nullstellungs-Markierung der aktuelle Positionswert des mitgeführten Positionsmeßsystems gespeichert und/oder neu besetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abtastvorrichtung eine erhabene und vertiefte Nullstellungs-Markierung abgetastet wird, wobei beim Abtastvorgang die relative Höhenänderung der Abtastvorrichtung gemessen wird und an Sprungstellen, wo eine festgestellte Höhenänderung auf Null geht oder umschlägt, der Positionswert gespeichert und/oder neu besetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der festgestellten Höhenänderungen gemessen wird, und daß Sprungstellen erst nach Überschreiten einer vorgegebenen Mindestzeit registriert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellungs- Markierung mehrmals überfahren wird, und daß die jeweils gespeicherten Positions-Istwerte auf Gleichstand verglichen werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionsmeßsystem (1) einen mit der Drehachse (2) verbundenen zyklisch absoluten Positionsgeber (3) aufweist, der ausgangsseitig an eine Vergleichsschaltung (5) mit einem Speicher (6) und einem Zähler (7) angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber (3) einstufig ausgebildet ist und eine Feinmeßeinrichtung (4) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinmeßeinrichtung (4) als einzelne Absolutwertscheibe mit 2^n-1 Position ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber (3) mit der Rotorwelle (8) eines Drehstrommotors (9) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichssschaltung (5) in die Steuerung eines Manipulators (10) integriert ist.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung (14) einen Fühler (15) und eine Meßeinrichtung (16) aufweist, die an ihrem Ausgang elektrische Signale liefert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (16) relative Höhenänderungen des Fühlers (15) mißt, wobei ihre Ausgangssignale die jeweilige Richtung und ihre Änderung kennzeichnen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (16) binär codierte Signale abgibt.