DE4303288C1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und deren Anwendung bei Robotern.

Positionsmeßwertgeber sind in der DE 33 33 869 A1 beschrie­ ben. Diese Positionsmeßwertgeber weisen zwei Geberteile auf, wobei der eine Ge­ berteil eine erste Pole bildende Leiteranordnung trägt, während der zweite Geber­ teil, welcher relativ zum ersten Geberteil beweglich ist, eine zweite Pole bildende Leiteranordnung aufweist. Beide Leiteranordnungen sind kapazitiv oder induktiv miteinander gekoppelt. Wird die erste Leiteranordnung von einem Wechselstrom durchflossen, so wird in der zweiten Leiteranordnung ein Signal induziert, welches sich sinusförmig verändert, wenn die Leiter der ersten Leiteranordnung diejenigen der zweiten Leiteranordnung überstreichen. Es ist somit möglich, die Relativlage der Geberteile zu erfassen.

Das in der DE 33 33 869 A1 beschriebene Impulsmeßverfahren ist relativ empfind­ lich gegenüber Störungen. Wird beispielsweise ein Impuls, d. h. eine Halbwelle der sinusförmigen Veränderung, nicht registriert, weil er durch eine Störung überlagert ist, so sind sämtliche folgenden Meßwertangaben fehlerhaft. Die Vorrichtung setzt also voraus, daß Mechanik und Elektronik störungsfrei arbeiten, was in der Praxis nicht gewährleistet ist.

In der genannten Schrift wird zwar auch eine Anordnung zur Bestimmung der Abso­ lutlage der beiden Geberteile beschrieben, bei der die erste Leiteranordnung schräg zur Richtung der Relativbewegung angeordnet und der andere Geberteil eine dritte Pole bildenden Leiteranordnung aufweist, deren Leiter nur teilweise von denjenigen der ersten Leiteranordnung überdeckt werden. Hierbei wird jedoch unvermeidlich eine dritte Leiteranordnung benötigt, was nicht nur die Vorrichtung kompliziert und verteuert, sondern auch ein zusätzliches Ausgangssignal erzeugt, dessen Verarbei­ tung wiederum eine aufwendigere Elektronik bedingt.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist in der DD 2 56 910 beschrieben. Um die Rela­ tivlage zweier Maschinenteile zu erfassen, trägt das eine Maschinenteil eine per­ iodisch sich wiederholende Kurve, die von zwei im Abstand zueinander angeordneten Abtastern einer Abtastvorrichtung abgetastet wird, die am anderen Maschinenteil angeordnet ist. Die Relativbewegung zwischen den zwei Maschinenteilen erfolgt hierbei in Periodizitätsrichtung der Kurve. Die Berechnung der Relativlage erfolgt aufgrund der Signale der Abtaster durch eine Auswerteeinheit. Um zu bestimmen, innerhalb welcher Periode der periodisch sich wiederholenden Kurve abgetastet wird, ist parallel zu dieser Kurve eine weitere, nur eine Periode aufweisende Kurve vorge­ sehen, die durch zwei weitere Abtaster der Abtasteinrichtung abgetastet wird. Dies bedingt einen zusätzlichen Bauteile- und Auswerteaufwand.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile so weiterzubilden, daß diese Relativlage innerhalb eines Meßvorgangs und unabhängig von zurückliegenden Messungen mit großer Genauigkeit bestimm­ bar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Meßvorrichtung;

Fig. 2 eine im Schnitt dargestellte Vorderansicht einer Ausführungsform der Erfin­ dung;

Fig. 3 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 2.

In Fig. 1 sind schematisch die beiden Bauteile 1 und 2 der Vorrichtung 3 dargestellt. Das eine, bewegliche Bauteil 1 ist als Platte ausgebildet und entlang des Doppelpfeils 4 gegenüber dem feststehenden Bauteil 2 in beide Richtungen verschiebbar. Auf dem Bauteil 1 ist eine Kurve 5 eingraviert, welche symmetrisch zur Mittelachse 6 des Bauteils 1 verläuft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kurve 5 eine Sinuskurve mit einer Periodenlänge P. Die Richtung des Kurvenverlaufs ist ebenfalls die durch den Doppelpfeil 4 dargestellte Richtung.

Das gestellfeste, zweite Bauteil 2 weist einen Steg 7 auf, über welchen dieses Bauteil 2 beispielsweise mit dem Rahmen einer Maschine fest verbunden ist. Von den Enden dieses Stegs 7 erstrecken sich unter Bildung einer C-Form zwei Arme 8 und 9, wel­ che jeweils einen Abtaster 10 und 11 beinhalten. Die Abtaster 10 und 11 arbeiten vorzugsweise optisch und bestehen beispielsweise aus lichtemittierenden Dioden und lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen, vorzugsweise sogenannten PSD-Dioden. Dabei sind die lichtemittierenden Dioden so angeordnet, daß sie das erste Bauteil 1 im Bereich des Abtasters 10 beleuchten und die lichtempfindlichen Halbleiter­ elemente so, daß sie das vom ersten Bauteil 1 zurückgeworfene Licht empfangen können.

Das zweite Bauteil 2 ist relativ zum ersten Bauteil 1 so angeordnet, daß die beiden Arme 8 und 9 mit den Abtastern 10 und 11 - wie in Fig. 1 dargestellt - der eingravierten Sinuskurve 5 des ersten Bauteils 1 gegenüberstehen. Hierbei verlaufen die als lineare Arrays ausgebildeten optischen Abtaster 10 und 11 senkrecht zur Verschieberichtung 4 des ersten Bauteils 1. Die Länge der optischen Abtaster 10 und 11 übersteigt die Gesamtamplitude der Sinuskurve 5, so daß die gesamte Amplitude der Sinuskurve 5 von den optischen Abtastern 10 und 11 erfaßbar ist.

Die optischen Abtaster 10 und 11 werden über das zweite Bauteil 2 mit elektrischer Energie versorgt und liefern ihre Abtastsignale, ebenfalls über das zweite Bauteil 2 an eine Auswerteeinheit. Die Versorgungs- und Signalleitungen sowie die Aus­ werteeinheit sind nicht dargestellt. Der Abstand zwischen den beiden optischen Abtastern 10 und 11 ist mit "d" gekennzeichnet. Er ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, etwas geringer als die Periodenlänge P der Sinuskurve 5 auf dem ersten Bauteil 1. Im Prinzip kann der Abstand d sämtliche Werte bis auf die exakte Periodenlänge P der Sinuskurve 5 annehmen. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft herausge­ stellt, daß der Abstand d etwas geringer oder etwas größer als diese Periodenlänge P ist.

Zusätzlich zu der durch den Doppelpfeil 4 dargestellten ersten Relativbewegung der beiden Bauteile 1 und 2 sind diese in der Lage, eine zweite Relativbewegung auszuführen, welche senkrecht zur ersten Relativbewegung erfolgt. Diese zweite Relativbewegung ist durch den Doppelpfeil 12 verdeutlicht. Der Mechanismus, der diese zweite Relativbewegung bewirkt, ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Es han­ delt sich beispielsweise um ein mechanisches Getriebe. Die zweite Relativbewegung in Richtung des Doppelpfeils 12 ist abhängig von der ersten Relativbewegung, so daß zwischen der momentanen "Höhe" (gemessen am Doppelpfeil 12) des ersten Bauteils 1 und dessen seitlicher Verschiebung (gemessen am Doppelpfeil 4) ein ein­ deutiger Zusammenhang besteht.

Die Vorrichtung funktioniert wie folgt:

Wenn sich die beiden Bauteile 1 und 2 beispielsweise in der in Fig. 1 dargestellten relativen Stellung befinden, registriert der erste optische Abtaster 10 das Signal der Sinuskurve 5 am Punkt X. Der zweite optische Abtaster 11 registriert das Signal der Sinuskurve 5 am Punkt Y. In der dargestellten Stellung fällt der Punkt X mit dem oberen Scheitelpunkt der Sinuskurve 5 zusammen. Da der Abstand d zwischen den beiden Abtastern 10 und 11 etwas geringer ist als die Periodenlänge P der Sinuskurve 5, liegt der Punkt Y, bei welchem der zweite Abtaster 11 die Sinuskurve 5 registriert, etwas unterhalb des Scheitelpunkts der nächsten oberen Halbwelle der Sinuskurve 5. Die Lage der Sinuskurve 5, deren Amplitude und Periodenlänge bekannt und unveränderlich sind, läßt sich aus den beiden gemessenen Punkten X am Ort des ersten Abtasters 10 und Y am Ort des zweiten Abtasters 11 rechnerisch rekonstruieren. Hierzu werden die Datensignale der beiden Abtaster 10 und 11 einem entsprechend programmierten (nicht dargestellten) Mikroprozessor zugeführt.

Sollte die rechnerische Rekonstruktion mehrere mögliche Sinuskurven zulassen, so sind diese im allgemeinen in ihrer "Höhe", gekennzeichnet durch den Doppelpfeil 12, stark unterschiedlich. Eine einfache Auswertelogik vergleicht in diesem Fall sämtliche Möglichkeiten der Lage der Sinuskurve mit einem oder mehreren voran­ gegangenen Meßwerten und ermittelt so die wahrscheinlichste Sinuskurve. Dabei handelt es sich um diejenige Kurve, deren Höhenversatz im Vergleich zu den vorab gemessenen Sinuskurven am geringsten ist. Wie vorab bereits erwähnt, darf der Abstand d zwischen den beiden Abtastern 10 und 11 nicht exakt der Periodenlänge P der Sinuskurve 5 entsprechen, da in diesem Fall eine eindeutige Rekonstruktion der Sinuskurve 5 aus den beiden Abtastwerten bei X und bei Y nicht möglich ist. Vielmehr ergäben sich bei dieser Anordnung der Abtaster 10 und 11 unendlich viele mögliche zu rekonstruierende Sinuskurven.

Nachdem aus den beiden Meßpunkten X und Y der Verlauf der Sinuskurve 5 re­ konstruiert wurde, kann die Symmetrieachse 6 dieser Sinuskurve 5 ohne weiteres berechnet werden. Die Lage dieser Symmetrieachse 6 ergibt unmittelbar die Infor­ mation über die "Höhenverschiebung" des ersten Bauteils 1 gegenüber dem zweiten Bauteil 2 entlang des Doppelpfeils 12. Da diese Höhenverschiebung eindeutig mit der Längenverschiebung zwischen den beiden Bauteilen 1 und 2 in Richtung des Doppelpfeils 4 zusammenhängt, läßt sich diese Längenverschiebung sofort berech­ nen. Hieraus erhält man die Grobinformation über die momentane relative Längs­ verschiebung beider Bauteile 1 und 2 mit einer Genauigkeit, welche unterhalb der Periodenlänge P der Sinuskurve 5 liegt. Um eine genauere Information zu erhalten, können nun die Meßwerte X und/oder Y von den beiden Abtastern 10 und 11 her­ angezogen werden, welche dann - innerhalb der bereits bestimmten Periode - eine Feinanzeige der relativen Längsstellung beider Bauteile 1 und 2 ergeben.

Verglichen mit vorbekannten Vorrichtungen arbeitet die erfindungsgemäße Vorrich­ tung 3 nahezu störungsfrei, da jede Messung für sich aussagekräftig und nicht von den vorangehenden Messungen abhängig ist.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Sinuskurve 5 die Wandung des ersten Bauteils 1 auch durchbrechen, wobei sich in diesem Fall die Beleuchtungseinheit auf der einen und die Abtasteinheiten auf der anderen Seite des Rohrs befinden. Beispielsweise sind die Beleuchtungseinheiten innerhalb des Rohrs und die Abtaster außerhalb des Rohrs angeordnet. Jeder Abtaster 10 und 11 wird somit genau an der Stelle beleuchtet, an welcher sich die durchschnittene Sinuskurve 5 momentan befindet.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung läßt sich ebenfalls unter Zuhilfenahme von Fig. 1 beschreiben. Bei dieser Ausführungsform denke man sich das im vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel plattenförmige erste Bauteil 1 um eine zur Richtung des Doppelpfeils 12 parallele (in der Darstellung "senkrechte") Achse zusammengerollt und an seinen Enden 13 und 14 miteinander verbunden. Das sich so ergebende Rohrstück trägt entlang seines Umfangs die Sinuskurve 5. Jedem der beiden optischen Abtaster 10 und 11 liegt, wie im vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel, ein Ort der Sinuskurve 5 gegenüber, welcher von diesem Ab­ taster detektiert wird. Die Grobinformation über die Rotation des rohrförmigen ersten Bauteils 1 um das zweite Bauteil 2 in Pfeilrichtung 4 erhält man, wie oben beschrieben, aus der rechnerischen Rekonstruktion der Lage der Sinuskurve 5 und deren Symmetrieachse 6. Die Feininformation ergibt sich wiederum aus der Aus­ wertung der Einzelmeßwerte X und/oder Y der beiden Abtaster 10 und 11. Diese Ausführungsform ist also zur Detektion von relativen Drehbewegungen geeignet.

In den Fig. 2 und 3 ist aus zwei Perspektiven ein Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung dargestellt, bei welchem das erste Bauteil 1 als Rohrstück aus­ gebildet ist, die in Fig. 1 dargestellten Enden 13 und 14 des ersten Bauteils 1 also miteinander verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die relative Lage der beiden Bauteile 1′ und 2′ zu bestimmen, wobei sich das Bauteil 1′ um die Drehachse 15 relativ zum stationären Bauteil 2′ drehen kann. An dem drehbaren Bauteil 1′ ist über eine Federplatte 16 ein Gewindestück 17 mit Schrauben 18 befestigt, dessen Außengewinde 19 in ein Innengewinde 20 eines Gehäusebauteils 21 eingreift, welches über Schrauben 22 fest mit dem drehfesten Bauteil 2′ verbunden ist. Die ineinander­ laufenden Gewinde 19 und 20 sind vorzugsweise als Feingewinde ausgebildet und die Federplatte 16 ist so dimensioniert, daß sich das Gewindeteil 17 unter Verbiegung der Federplatte 16 in einem gewissen Bereich in Richtung der Achse 15 bewegen kann.

Mit dem Gewindestück 17 fest verbunden ist ein Rohrstück 23, welches dem ersten Bauteil 1 aus Fig. 1 entspricht und entlang seines Umfangs eine eingeschnittene (nicht dargestellte) Sinuskurve 5 trägt. Innerhalb des Gehäusebauteils 21 befindet sich eine lichtemittierende Diode 24, deren Licht in eine Glasfaser 25 geleitet wird, welche in das Innere des Rohrstücks 23 ragt und nahe dessen Wandung parallel zur Achse 15 verläuft. Im Bereich des Rohrstücks 23 ist die Wandung des Lichtwellen­ leiters 25 aufgerauht, um Licht austreten zu lassen. Dieses Licht beleuchtet also die Innenwandung des Rohrstücks 23. An der dem Lichtwellenleiter 25 gegenüber­ liegenden Außenseite des Rohrstücks 23 ist eine PSD-Diode 26 angeordnet, deren Länge sich über die gesamte Amplitude der eingeschnittenen Sinuskurve erstreckt. Die PSD-Diode wird also genau an der Stelle beleuchtet, an der die eingeschnit­ tene Sinuskurve lokal das Licht des Lichtwellenleiters 25 durch die Wandung des Rohrstücks 23 hindurchtreten läßt.

Die gesamte Anordnung aus lichtemittierender Diode 24, Lichtwellenleiter 25 und lichtempfindlicher PSD-Diode 26 befindet sich auch um etwa 180° versetzt auf der gegenüberliegenden Seite der Wandung des Rohrstücks 23. Diese entsprechende Anordnung trägt in Fig. 2 die gemeinsame Bezugszahl 27 und ist in Fig. 3 nicht eingezeichnet.

Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Bauteil 1′ um die Achse 15 drehbar, während das zweite Bauteil 2′ maschinenfest angeordnet ist. Mit dem ersten Bauteil 1′ dreht sich das Gewindestück 17, da dieses mit dem ersten Bauteil 1′ über die Federplatte 16 drehfest verbunden ist. Das Rohrstück 23 ist wiederum drehfest mit dem Gewindeteil 17 verbunden und dreht sich daher ebenfalls mit. Hierdurch streicht die in dem Umfang des Rohrstücks 23 eingeritzte Sinuskurve an der PSD-Diode 26 bzw. an der etwa gegenüberliegend angeordneten zweiten PSD-Diode vorbei.

Bei einer Drehung des ersten Bauteils 1′ gegenüber dem zweiten Bauteil 2′ läuft das Außengewinde 19 des Gewindeteils 17 in dem Innengewinde 20 des Gehäuse­ bauteils 21 ab, wodurch sich sowohl das Gewindestück 17 als auch das damit ver­ bundene Rohrstück 23 in Richtung der Achse 15 bewegen. Die in dem Rohrstück 23 eingeschnittene (nicht dargestellte) Sinuskurve bewegt sich also gegenüber den PSD-Dioden auch in Richtung der Achse 15. Diese Bewegung entspricht der durch den Doppelpfeil 12 angedeuteten Bewegung aus Fig. 1 und ermöglicht durch die rechnerische Rekonstruktion der Sinuskurve aus den durch die beiden PSD-Dioden gemessenen Werten eine Grobbestimmung der momentanen Verdrehung der beiden Bauteile 1′ und 2′ zueinander. Eine Feinbestimmung erfolgt analog zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Abtasten der Sinuskurve durch eine der beiden PSD-Dioden oder beide.

Claims (9)

1. Vorrichtung (3) zur Bestimmung der Relativlage zweier Bauteile (1, 2), bei der das eine Bauteil (1) eine sich periodisch wiederholende Kurve (5) trägt und das andere Bauteil (2) eine Abtasteinrichtung mit zwei im Abstand zueinan­ der angeordneten Abtastern (10, 11) aufweist, mit der die Kurve (5) abtastbar ist, wobei zwischen den zwei Bauteilen (1, 2) eine erste Relativbewegung (4) in Periodizitätsrichtung der Kurve (5) ausführbar ist, und die eine Auswerte­ einheit zur Berechnung der Relativlage umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der ersten Relativbewegung (4) eine zweite Relativbewe­ gung (12) der zwei Bauteile (1, 2) senkrecht zur ersten Relativbewegung (4) erfolgt und daß die Auswerteeinheit zur rechnerischen Rekonstruktion der mo­ mentanen Position der Kurve (5) aus den Signalen der Abtaster (10, 11) und hieraus zur Errechnung einer Information über die momentane Relativlage der zwei Bauteile (1, 2) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) der beiden Abtaster (10, 11) ungefähr, jedoch nicht exakt, der Länge (P) einer Periode der Kurve (5) entspricht.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die sich periodisch wiederholende Kurve (5) eine Sinuskurve ist.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abtaster (10, 11) optische Abtaster, insbesondere PSD- Dioden, sind.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kurve (5) in das eine Bauteil (1) eingraviert ist.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Relativbewegung (4) eine Translationsbewegung ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Relativbewegung (4) eine Rotationsbewegung ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Bau­ teil (1′) ein Rohrstück (23) umfaßt, welches an seinem Umfang eine Sinuskurve aufweist und die lokale Position von zwei Punkten dieser Sinuskurve an zwei Stellen des Umfangs des Rohrstücks (23) durch jeweils eine optische Meßvor­ richtung als Abtaster bestimmbar ist, wobei jeweils eine Lichtquelle (25) an einer Seite der Rohr­ wandung und jeweils ein optischer Detektor (26) an der gegenüberliegenden Seite der Rohrwandung angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche in der Verwendung zur Bestimmung der relativen Lage zweier beweglich zueinander angeordneter Bauteile eines Roboters.