DE3420187C1

DE3420187C1 - Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3420187C1
Application number: DE19843420187
Authority: DE
Inventors: Holmer Dipl.-Ing. 8225 Traunreuth Dangschat
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1984-05-30
Publication date: 1985-07-11

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins-
besondere 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 müssen. Ein soiches zu messendes Objekt in Form eines Werkzeuges kann somit 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 einzelnen Arbeitsabläufen möglich, wodurch die Betriebssicherheit derartiger Systeme erheblich erhöht wird.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die in der Figur im Längsschnitt dargestellte inkrementale Winkelmeßeinrichtung ist mit einem Gehäuse G an einem zweiten zu messenden Objekt 02, beispielsweise an einem Gehäuse eines nicht gezeigten.lndustrierobolers befestigt. Im Inneren des Gehäuses G ist eine Welle W mittels erster Lager L 1 drehbar gelagert und trägt eine erste Teilscheibe S 1 mit einer ersten Inkrementalteilung Tl, die lichtelektrisch von einer im Gehäuse G befestigten ersten Abtasteinheit A 1 abgetastet wird, die eine erste Beleuchtungseinheit B 1, einen ersten Kondensor K 1, eine erste Abtastplatte AP 1 mit zwei nicht dargestellten ersten Teilungsabtastfeldern sowie zwei erste Photoelemente P1 aufweist. Die erste Inkrementalteilung Tal in Form eines Radialgitters besteht für ein Durchlichtmeßverfahren aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Streifen, die abwechselnd aufeinander folgen. Der ersten Inkrementalteilung T 1 der ersten Teilscheibe S 1 sind auf der ersten Abtastplatte AP 1 die beiden ersten Teilungsabtastfelder zugeordnet, die zur Erkennung der Drehrichtung der ersten Teilscheibe S 1 um ein Viertel der Teilungsperiode der ersten Inkrementalteilung T1 zueinander versetzt sind; die Teilungen der beiden ersten Teilungsabtastfelder, denen jeweils ein erstes Photoelement P1 zugeordnet ist, stimmen mit der ersten Inkrementalteilung T1 überein. Die aus dem Gehäuse G herausragende Welle Wist mit einem ersten zu messenden Objekt 01 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 T1 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 beiden ersten Photoelemente P1. die zwei um 90" zueinander phasenversetzte periodische Analogsignale liefern, die in einer nicht gezeigten Auswerteeinrichtung der Winkelmeßeinrichtung in Impulse umgeformt wer- den. Diese Impulse werden einem Zähler der Auswerteinrichtung zur Zählung zugeführt und können in einer nachgeschalteten Anzeigeeinheit als Positionsmeßwerte in digitaler Form angezeigt oder direkt einer numerischen Steuereinrichtung des Industrieroboters zugeleitet werden.
An der Welle Wist konzentrisch zur ersten Teilscheibe S1 eine zweite Teilscheibe S2 mit einer zweiten Inkrementalteilung T2 und mit einer der ersten Inkrementalteilung T1 absolut zugeordnete Referenzmarke R befestigt. Die zweite Inkrementalteilung T2 und die Referenzmarke R auf der zweiten Teilscheibe S2 werden ebenfalls lichtelektrisch von einer zweiten Abtasteinheit A 2 abgetastet, die eine zweite Beleuchtungseinheit B 2, einen zweiten Kondensor K 2, eine zweite Abtastplatte AP2 sowie drei zweite Photoelemente P2 aufweist und im Gehäuse G auf der Welle W mittels zweiter Lager L2 relativ zur zweiten Teilscheibe S2 und zum Gehäuse Drehbar gelagert ist.
Auf der zweiten Abtastplatte AP2 der zweiten Abtasteinheit A 2 sind der zweiten Inkrementalteilung T2 der zweiten Teilscheibe S2 zwei nicht dargestellte zweite Teilungsabtastfelder zugeordnet, die zur Erkennung der Drehrichtung der zweiten Abtastplatte AP2 um ein Viertel der Teilungsperiode der zugehörigen zweiten Inkrementalteilung T2 zueinander versetzt sind; die Teilungen der beiden zweiten Teilungsabtastfelder stimmen mit der zweiten Inkrementalteilung T2 überein. Den beiden zweiten Teilungsabtastfeldern sind jeweils ein zweites Photoelement P2 in der zweiten Abtasteinheit A 2 zugeordnet.
Die Referenzmarke R der zweiten Teilscheibe S2 besteht aus einer Strichgruppe mit einer unregelmäßigen Strichverteilung, der auf der zweiten Abtastplatte AP2 der zweiten Abtasteinheit A 2 ein Referenzmarkenabtastfeld mit einer identischen Strichverteilung zugeordnet ist. Dem Referenzmarkenabtastfeld auf der zweiten Abtastplatte AP2 ist ein zweites Photoelement P2 in der zweiten Abtasteinheit A 2 zugeordnet.
Im Gehäuse G ist ein lichtelektrischer Nullsensor N mit einer dritten Beleuchtungseinheit B 3 und mit einem dritten Photoelement P3 befestigt. Mit der auf der Welle W drehbar gelagerten zweiten Abtasteinheit A 2 ist ein eine Nullstellung festlegendes Element in Form einer Abbildungsoptik OT befestigt, die bei einer Drehung der zweiten Abtasteinheit A 2 in einer bestimmten Position zwischen der dritten Beleuchtungseinheit B3 und dem dritten Photoelement P3 den von der dritten Beleuchtungseinheit B3 ausgehenden Lichtstrom auf das dritte Photoelement P3 fokussiert, so daß das dritte Photoelement P3 ein Nullsignal abgibt, das eine bestimmte Absolutposition der drehbaren zweiten Abtasteinheit A 2 bezüglich des Gehäuses G kennzeichnet.
Bei einer inkrementalen Positionsmeßeinrichtung ist es von großer Bedeutung, zu Beginn einer Messung einer Bezugsposition für die erste Teilscheibe S1 zu bestimmen, die als Ausgangsposition für die Messung dient und die auch nach Störfällen wieder reproduziert werden kann.
Es wird davon ausgegangen, daß vor Beginn einer Messung oder auch im Störfall, bei dem - beispielsweise durch Stromausfall - bekanntlich bei inkrementalen Positionsmeßeinrichtungen der Positionsmeßwert verloren geht, sich die relativ zueinander beweglichen, zu messenden Objekte 01, 0 2 im Stillstand befinden. Die erste Teilscheibe S 1 befindet sich also in einer Position, in der die Lage ihres Teilungsnullpunktes relativ zum Gehäuse Gicht bekannt ist.
Zur Gewinnung dieser Bezugsposition muß nun die momentane Position der ersten Teilscheibe S I bezüglich des Gehäuses G bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird die Eichbetriebsart eingeschaltet, indem die zweite Abtasteinheit A 2 mitsamt der Abbildungsoptik OT des lichtelektrischen Nullsensors N von einem im Gehäuse G befestigten Motor Müber ein Getriebe Zin Drehung versetzt wird. Zuerst möge beispielsweise die Abbildungsoptik OT des Nullsensors N in Koinzidenz mit der dritten Beleuchtungseinheit B 3 und dem dritten Photoelement P3 gelangen, so daß das dritte Photoelement P3 ein Nullsignal liefert, das den Zähler der Auswerteeinrichtung auf den Wert Null setzt und ihn gleichzeitig startet Von diesem Zeitpunkt an werden die zweite Inkrementalteilung T2 der stillstehenden zweiten Teilscheibe S2 von den beiden zweiten Teilungsabtastfeldern auf der sich drehenden zweiten Abtastplatte AP2 abgetastet und die von den zugehörigen'zweiten Photoelementen P2 erzeugten periodischen Analogsignale ausgewertet und die Zählimpulse dem Zähler zugeführt.
Nach dem Zählerstart und dem Beginn der Zählung der Teilungsinkremente der zweiten Inkrementalteilung T2 werden irgendwann die Referenzmarke R der stillstehenden zweiten Teilscheibe S2 vom zugehörigen Referenzmarkenabtastfeld auf der sich drehenden zweiten Abtastplatte AP2 abgetastet und durch ein Signal des zugehörigen zweiten Photoelements P2 der zweiten Abtasteinheit A 2 der Zähler der Auswerteeinrichtung gestoppt. Der im Zähler ermittelte Zählwert für den Verstellweg der zweiten Abtasteinheit A 2 in Form des Drehwinkels zwischen dem Nullsensor N und der Referenzmarke R auf der zweiten Teilscheibe S2 gibt direkt den absoluten Positionswert an, den die erste Teilscheibe S 1 und die zweite Teilscheibe S2 momentan zum Gehäuse G einnehmen, da die Referenzmarke R direkt den Teilungsnullpunkt der zugehörigen ersten Inkrementalteilung T1 auf der ersten Teilscheibe S1 darstellt; der Motor Mwird stillgesetzt und der Eichvorgang ist damit beendet.
Vom Zeitpunkt der Abtastung der Referenzmarke R auf der zweiten Teilscheibe S2 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 ersten Teilungsabtastfelder auf der gehäusefesten ersten Abtastplatte AP 1 und mittels der beiden zugehörigen ersten Photoelemente P1 der ersten Abtasteinheit A 1 erzeugt werden. Beim Auftreten von Störungen, beispielsweise bei Stromausfall, kann die Bezugsposition der ersten Teilscheibe S 1 bezüglich des - Gehäuses G sinngemäß mittels des vorbeschriebenen Eichvorgangs reproduziert werden, auch wenn die erste Teilscheibe S 1 nicht aus ihrer Momentanposition heraus bewegt werden kann, weil beispielsweise gerade ein Werkzeug, das über den Arm des Industrieroboters mit der Welle W in Wirkverbindung steht, sich im Eingriff an einem zu bearbeitenden Werkstück befindet, wenn die Störung auftritt.
Die Drehung der zweiten Abtasteinheit A 2 erfolgt für den Eichvorgang oder den Reproduktionsvorgang wegen der mit der zweiten Beleuchtungseinheit B 2 und den zweiten Photoelementen P2 verbundenen elektrischen Leitungen El nur über einen Schwenkbereich, der etwas größer als ein Vollkreis ist, und zwar in beiden Drehrichtungen. Die Winkelmeßeinrichtung ist über elektrische Leitungen E2 mit der Auswerteeinrichtung und einer Stromversorgung verbunden.
In nicht dargestellter Weise kann die Stromversorgung der zweiten Abtasteinheit A 2 statt durch elektrische Leitungen E 1 auch durch Schleifringe erfolgen; in diesen Fällen kann die zweite Abtasteinheit A 2 in beiden Drehrichtungen um beliebig viele Umdrehungen gedreht werden.
In nicht dargestellter Weise können auf der zweiten Teilscheibe S2 anstelle der Referenzmarke R auch mehrere Referenzmarken vorgesehen sein, die dann allerdings zur gegenseitigen Unterscheidung einer Codierung bedürfen. Derartige kodierte Referenzmarken sind beispielsweise in der DE-OS 30 39 483 beschrieben. Zur Abtastung der Codemarken für diese Referenzmarken muß auf der zweiten Abtastplatte AP2 ein zugehöriges Codemarkenabtastfeld vorhanden sein. Das Vorsehen nur einer Referenzmarke auf der zweiten Teilscheibe S2 besitzt den Vorteil einer besonders einfachen Herstellung der zweiten Teilscheibe S2, da eine einzige Referenzmarke keiner Codierung zur Unterscheidung bedarf. Das Vorsehen mehrerer Referenzmarken auf der zweiten Teilscheibe S2 weist den Vorteil auf, daß von der zweiten Abtasteinheit A 2 zur Abtastung der nächstgelegenen Referenzmarke nur kleine Winkelwege beim Eichvorgang oder beim Reproduktionsvorgang zurückgelegt werden müssen, und zwar in beiden Drehrichtungen. Dieser Reversierbetrieb durch ein als Reversiergetriebe ausgebildetes Getriebe Z ermöglicht auf schnelle und einfache Weise zwischen einzelnen Bearbeitungsabläufen beispielsweise programmgesteuerte Überprüfungen der jeweiligen Bezugspositionen.
Anstelle eines lichtelektrischen Nullsensors können auch Nullsensoren auf magnetischer, kapazitiver oder induktiver Basis verwendet werden.
Die Erfindung ist weder auf die gezeigte Winkelmeßeinrichtung noch auf lichtelektrische Abtastprinzipien beschränkt.

Claims

Patentansprüche: 1. Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Rela--tivlage zweier zueinander beweglicher Objekte, bei der eine Teilung eines mit dem ersten Objekt verbundenen Teilungsträgers von einer Abtasteinheit abtastbarist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale zum Reproduzieren einer Bezugsposition nach unterbrochener Messung und Bewegung bei beliebiger unbekannter Momentanposition der zu messenden Objekte-zueinander: a) der mit der ersten Teilung (T1) versehene erste Teilungsträger (S 1) ist mit einem zweiten Teilungsträger (S2) fest verbunden, der eine zweite Teilung (T2) und wenigstens eine der ersten Teilung (T1) des ersten Teilungsträgers (S1) absolut zugeordnete Referenzmarke (R) aufweist; b) zum Abtasten der ersten Teilung (T1) des ersten Teilungsträgers (S 1) ist die erste Abtasteinheit (A 1) fest mit dem zweiten Objekt (0 2) verbunden; c) zum Abtasten der mit der wenigstens einen Referenzmarke (R) versehenen zweiten Teilung (T2) des zweiten Teilungsträgers (52) ist eine zweite Abtasteinheit (A 2) relativ zum zweiten Teilungsträger (S 2) und relativ zum zweiten Objekt (0 2) verstellbar; d) am zweiten Objekt (02) ist ein Nullsensor (N) befestigt, dessen eine Nullstellung festlegendes Element (OT) mit der zweiten Abtasteinheit (A 2) verbunden und zusammen mit der zweiten Abtasteinheit (A 2) relativ zum zweiten Objekt (0 2) und zum Nullsensor (N) verstellbar ist; e) der Verstellweg der zweiten Abtasteinheit (A 2) entsprechend dem Abstand zwischen dem Nullsensor (N) und der wenigstens einen Referenzmarke (R) des zweiten Teilungsträgers (S 2) ist registrierbar.
2. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilungsträger (S2) in Form einer zweiten Teilscheibe konzentrisch mit dem ersten Teilungsträger (S 1) in Form einer ersten Teilscheibe fest verbunden ist und daß die zweite Abtasteinheit (A 2) mitsamt dem eine Nullstellung festlegenden Element (OT) konzentrisch zur zweiten Teilscheibe (52) drehbar gelagert und mittels eines Antriebes (M,Z) verdrehbar ist
3. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullsensor (N) aus einer dritten Beleuchtungseinheit (B3) und einem die dritte Beleuchtungseinheit (B 3) abtastenden dritten Photoelement (P3) besteht, die mit dem zweiten Objekt (02) fest verbunden sind und zwischen denen eine Abbildungsoptik (OT) zum Abbilden der dritten Beleuchtungseinheit (B3) auf das dritte Photoelement (P3) drehbar gelagert ist.
4. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Referenzmarke (R) aus einer Strichgruppe mit einer bestimmten unregelmäßigen Strichverteilung besteht.
5. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb aus einem Motor (M)und aus einem Getriebe (Z)besteht
6. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch5, da- durch gekennzeichnet, daß das Getriebe (Z) aus einem Reversiergetriebe besteht.

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 64381 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 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 Maschinenbett 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 Arbeitsvorganges, 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 auch durch den Stromausfall verloren, da auch die Messung unterbrochen wurde. Zur Fortführung des unterbrochenen Arbeitsvorganges 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung der genannten Gattung anzugeben, die die Nachteile der bekannten Einrichtungen beseitigt und es ermöglicht, nach Verlust der Lageinformation in unbekannten Momentanpositionen ohne Bewegung der zu messenden Objekte eine Bezugsposition zu reproduzieren.