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 2 n
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 2 n 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 2 n Positionen um weniger als 2 n
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 2 n
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