DE3742135A1 - Einrichtung zur positionserfassung einer werkzeugmaschinen- oder roboterachse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Positions­ erfassung einer Werkzeugmaschinen- oder Roboterachse, die über ein in einem vorgegebenen natürlichen Übersetzungsverhältnis a/b untersetzendes Getriebe von einem Motor angetrieben wird, wobei motorseitig ein Wegimpulsgeber vorgesehen ist, der für jede seiner Umdrehungen in gleichen Winkelschritten eine vorge­ gebene Anzahl i von Wegimpulsen auslöst, die jeweils in eine vorgegebene Anzahl j von Weginkrementen unterteilbar sind, und der pro Umdrehung einen Referenzimpuls auslöst, wobei achsseitig jeweils während einer vorgegebenen Winkelstellung pro Umdrehung ein Referenzsignal erzeugt wird und wobei die Weginkremente in einem Zähler saldiert werden, der durch die Referenzimpulse synchronisierbar ist.

Einrichtungen dieser Art dienen dazu, eine genaue Positionser­ fassung und ein Referenzpunktfahren bei rotatorischen Achsen zu ermöglichen. Das Referenzpunktfahren geschieht dabei so, daß eine achsseitige Nocke ein erstes Referenzsignal auslöst, worauf­ hin der folgende Referenzimpuls des Wegimpulsgebers die genaue Nullstellung bestimmt. Wenn bei einer solchen Einrichtung jedoch pro Umdrehung der Achse eine Anzahl von Weginkrementen durchlau­ fen wird, die nicht ein ganzzahliges Vielfaches der vom Geber gelieferten Weginkremente ist, führt dies dazu, daß bei den ein­ zelnen Umdrehungen verschiedene Winkelstellungen zur Nullage beim Auftreten des dem Referenzsignal des achsseitigen Nockens folgenden Referenzimpuls auftreten. Eine Synchronisierung der Wegmessung ist dann nur im Bereich der Ursprungslage möglich, was weite Verfahrwege erforderlich macht, wenn beispielsweise nach Spannungsausfall die Wegmeßeinrichtung neu zu synchroni­ sieren ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß bei einer Verwendung von unter­ setzenden Getrieben mit einem beliebigen Übersetzungsverhältnis während jeder Umdrehung der angetriebenen Achse eine Synchroni­ sation der Wegmessung möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch den jeweils ersten Referenzimpuls nach einer vorgegebenen Anzahl von Weginkrementen nach einem Referenzsignal jeweils ein Synchro­ nisierort x _n bestimmbar ist, daß durch den ersten Synchronisier­ ort zu Beginn der ersten Umdrehung eine Ausgangslage x _O bestimt wird, daß von dieser Ausgangslage ermittelt wird, bei welchen folgenden Weginkrementen x _n jeweils der Beginn einer neuen Um­ drehung erfolgt, indem x _n = INT (i · j · n · a/b) gebildet wird, daß die weiteren Synchronisierort-Sollagen dadurch bestimmt wer­ den, daß deren jeweilige Wegdifferenz d _n zum jeweiligen Beginn der jeweiligen Umdrehung n ermittelt wird, indem d _n = FRAC _Zähler (x _n /(i · j)) gebildet wird, daß jeweils der aktuelle Stand der Umdrehung n sowie die Werte von x _n und d _n gespeichert werden und daß der Zähler jeweils am Synchronisierort für die jeweilige Um­ drehung jeweils auf einen Wert x _n + d _n setzbar ist.

Dadurch, daß das Übersetzungsverhältnis a/b als Bruch ausgewer­ tet wird, erfolgt kein Rundungsfehler, der nach einer Vielzahl von Umdrehungen zu durchaus erheblichen Fehlern für die Winkel­ lageerfassung führen könnte.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die mechanische Struktur,

Fig. 2 einige signifikante Signalverläufe und

Fig. 3 ein Blockschaltbild.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Motor M gezeigt, der über ein Getriebe G eine Achse A, beispielsweise die Hand eines Robo­ ters, antreibt. Das Übersetzungsverhältnis a/b ist dabei so ge­ wählt, daß sich der Motor M schneller als die Achse A dreht. Für die weiteren Betrachtungen wird ein Übersetzungsverhältnis von 19/6 angenommen.

Auf der Motorseite ist ein Wegimpulsgeber W vorgesehen, der zwei Spuren von Wegmarken aufweist, die mit Hilfe von Sensoren S 1 und S 2 (jeweils durch ein offenes Dreieck angedeutet) aufgenommen werden können. Die vom Sensor S 1 aufgenommenen Wegmarken mögen dabei im Ausführungsbeispiel 12 Wegimpulse I pro Umdrehung des Wegimpulsgebers W liefern. Mit jeder Umdrehung des Wegimpulsge­ bers W wird entsprechend dem Auftreten einer Referenzmarke vom Sensor S 2 ein Referenzimpuls RI gebildet. Die Wegimpulse können bedarfsweise noch in eine vorgegebene Anzahl von Weginkremen­ ten unterteilt werden, im Ausführungsbeispiel wird von dieser Maßnahme der Übersichtlichkeit halber jedoch kein Gebrauch ge­ macht, so daß die Anzahl von Wegimpulsen und Weginkrementen pro Umdrehung des Wegimpulsgebers W identisch ist.

Die Ausgangswelle des Getriebes G ist mit einer Nocke N versehen, die von einem Sensor S 3 (ebenfalls durch ein offenes Dreieck synchronisiert) beispielsweise einen mechanischen Kontakt, detek­ tiert wird, wobei demzufolge jede Umdrehung der Achse A jeweils ein Referenzsignal RS beim Schalten des Sensors S 3 durch die Nocke N bewirkt.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 sind die Ausgangssignale der Sen­ soren S 1, S 2 und S 3, als Wegimpulse I, Referenzimpulse RI und Referenzsignale RS während dreier Umdrehungen n = 1 bis n = 3 der Achse A dargestellt. Ferner sind die während dieser drei Umdrehungen n = 1 bis n = 3 signifikanten Synchronisierort- Sollagen SS markiert.

Es sei dabei zunächst angenommen, daß durch den ersten Referenz­ impuls RI im Anschluß an das erste Referenzsignal RS eine erste Synchronisierort-Sollage SS bestimmt wird. Dies kann die Lage sein, bei der die Hand eines Roboters für Null-Umdrehungen eine Positon 0° einnimmt. Demzufolge liegt für den durch einen ersten Pfeil markierten Wegimpuls eine Ausgangslage x _O vor. Entsprechend der Beziehung x _n = INT (i · j · n · a/b) ergibt sich die Lage der weiteren Synchronisierort-Sollagen SS für die folgenden Um­ drehungen. Dabei ist i die Anzahl von Wegimpulsen während einer Umdrehung des Wegimpulsgebers W, d. h. im Ausführungsbeispiel i = 12. Der Wert von j ergibt sich als Anzahl von Weginkrementen während eines Wegimpulses, im Ausführungsbeispiel j = 1. Der Wert von a/b ist durch das Übersetzungsverhältnis, im Ausfüh­ rungsbeispiel 19/6 vorgegeben. Für die Synchronisierort-Sollagen SS nach Ende der ersten Umdrehung n = 1 der zweiten Umdrehung n = 2 und der dritten Umdrehung n = 3 ergeben sich daher die Werte x ₁ = 38, x ₂ = 76 und x ₃ = 114. Diese Werte sind im Dia­ gramm für die Wegimpulse jeweils ebenfalls durch Pfeile und im Diagramm für die Synchronisierort-Sollagen SS jeweils durch Striche markiert.

Die zyklischen Referenzimpulse RI erfolgen jeweils nach 12 Weg­ impulsen I. Der erste Referenzimpuls während der Umdrehung n = 2 nach dem zugehörigen Referenzsignal RS erfolgt daher um eine Wegdifferenz d ₁ = 2 (entspricht zwei Wegimpulsen) nach der zuge­ hörigen Synchronisierort-Sollage x ₁. Dieser Referenzimpuls bei x ₁ + d ₁ stellt den für die Umdrehung n = 2 relevanten Synchroni­ sierort dar. Während der Umdrehung n = 3 verzögert sich das Eintreffen des ersten Referenzimpulses RI im Anschluß an das Referenzsignal RS um d ₂ = 4 (entspricht 4 Wegimpulsen). Für die Umdrehung n = 4 wäre der Wert d ₃ = 6 (entspricht 6 Wegimpul­ sen). Die allgemeine Beziehung, welche die Wegdifferenz d _n an­ gibt, ergibt sich als d _n = FRAC _Zähler (x _n /(i · j)). Unter FRAC _Zähler ist dabei der Zähler des echten Bruchanteils FRAC (x _n /(i · j)) zu verstehen.

Ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung ist in der Darstellung gemäß Fig. 3 gezeigt. Die Wegimpulse I schalten dabei eine Zähl­ stufe Z fort. Die Referenzsignale RS setzen dabei jeweils ein Speicherglied SP in dessen Arbeitsstellung und ein darauffol­ gender Referenzimpuls RI führt dann zu einem Signal logisch "1" am Ausgang eines dem Speicherglied SP nachgeschalteten UND-Glie­ des U. Ferner wird durch diesen Referenzimpuls RI das Speicher­ glied SP rückgesetzt. Auf die Funktion der Schaltstufe SC wird im folgenden noch eingegangen.

Am Ausgang des UND-Gliedes U liegt somit eine Impulsfolge vor, wie sie durch die stark markierten Referenzimpulse in Fig. 2 hervorgehoben ist.

Das im Zusammenhang mit Fig. 2 geschilderte Auswandern der Weg­ differenz d _n kann nun jedoch dazu führen, daß Referenzimpulse RI und Referenzsignale RS nahezu zeitlich zusammenfallen. Um hieraus ggf. resultierende Störungen zu vermeiden, wird durch die Schalt­ stufe SCH für eine vorgegebene Anzahl von Wegimpulsen I im An­ schluß an das Referenzsignal RS das Einwirken der Referenzim­ pulse RI auf das Speicherglied und das UND-Glied U unterdrückt. Im Ausführungsbeispiel ist diese Anzahl von Wegimpulsen durch die Anzahl der Wegimpulse zwischen dem Ende des Referenzsignals RS und dem ersten Synchroniserort x _O gegeben.

Die Anzahl der Wegimpulse I, die in der Zählstufe Z ermittelt worden ist, wird jeweils einem Umsetzer U 1 zugeführt. Dieser ermittelt daraus den augenblicklichen Stand der Anzahl n von Umdrehungen und speichert diesen Stand fortlaufend ausfallsicher in einem Umsetzer U 2. Die aktuelle Anzahl Umdrehungen wird fer­ ner einer Verarbeitungseinrichtung V mitgeteilt. Ferner wird die Position, d. h. die Winkellage, innerhalb der jeweiligen Umdre­ hung ebenfalls vom Umsetzer U 1 ermittelt und der Verarbeitungs­ einrichtung V übertragen. Dieser Umsetzvorgang berücksichtigt das Getriebeübersetzungsverhältnis a/b durch das echte natür­ liche Übersetzungsverhältnis. Eine Rundung findet nicht statt.

Wenn beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von 19/7 vorlie­ gen sollte, ergäben sich pro Achsumdrehung bei i · j = 12 12 · 19/7 = INT + FRAC = 32 + 4/7 Inkremente. Nach zwei Um­ drehungen ergäben sich 64 + 8/7 Inkremente. Das bedeutet einen für die Lageerfassung relevanten INT-Anteile von 65 und einem FRAC-Anteil von 1/7. Jeweils nach b, in diesem Fall b = 7, Achs­ umdrehungen ist dieser Vorgang zyklisch durchlaufen.

Entsprechend den oben angegebenen mathematischen Zusammenhängen ist jeder der Umdrehungen n ein Wert x _n und ein Wert d _n zugeord­ net, wobei der Wert x _n jeweils die Zahl von Weginkrementen beim Beginn dieser neuen Umdrehung aufweist, und d _n aussagt, um wie­ viele Wegimpulse die zugehörige Synchronisierort-Sollage SS gegenüber x _n nacheilt. Die Werte von x _n und d _n sind für jede der Umdrehungen n in einem Umsetzer U 3 mit Speicherverhalten abge­ legt. Stets dann, wenn vom UND-Glied U ein Signal logisch "1" kommt, kann der Inhalt des Umsetzers U 3 abgefragt werden und die Zählstufe Z läßt sich dann auf den passenden Zählerstand synchronisieren, der sich aus der Summe von x _n und d _n ergibt.

Beim Einsatz einer Einrichtung dieser Art in einem Roboter wird häufig der Fall auftreten, daß die Bewegung einer Achse nicht allein durch den jeweils zugeordneten Motor verursacht wird, sondern daß eine Überlagerung von Bewegungen stattfindet, beispielsweise die Hand eines Roboters auch dadurch bewegt wird, daß nicht der Handantrieb, sondern ein "Schultergelenkan­ trieb" betätigt wird. Ein derartiges überlagertes Verhalten kann selbstverständlich in gleicher Weise unter Berücksichtigung der sich dann ergebenden summierten Übersetzungsverhältnisses be­ rücksichtigt werden.

Das Ausführungsbeispiel schildert nur eine Drehrichtung. In ent­ sprechender Weise wie bei dieser kann auch die gegensinnige Drehrichtung behandelt werden. Bei Positionierungsaufgaben kann dann auch die jeweils günstige Drehrichtung zum Anfahren eines Zielortes ausgewählt werden.

Die Grundidee, das Auswandern eines Synchronisierortes abhängig vom Übersetzungsverhältnis eines Getriebes zwischen motorseiti­ gem Geber und Achse zu erfassen, kann auch bei Absolutweggebern eingesetzt werden. Es ist dabei mit dem echten Übersetzungsver­ hältnis a/b zu untersuchen, nach wievielen Achsumdrehungen der Versatz des Gebersystems genau eine Geberumdrehung ausgemacht hat. Eine dann erfaßte Position kann wieder entsprechend der Ausgangsposition behandelt werden.

Claims (1)

1. Einrichtung zur Positionserfassung einer Werkzeugmaschinen- oder Roboterachse, die über ein in einem vorgegebenen natür­ lichen Übersetzungsverhältnis a/b untersetzendes Getriebe von einem Motor angetrieben wird, wobei motorseitig ein Wegimpuls­ geber vorgesehen ist, der für jede seiner Umdrehungen in glei­ chen Winkelschritten eine vorgegebene Anzahl i von Wegimpulsen auslöst, die jeweils in eine vorgegebene Anzahl j von Weginkre­ menten unterteilbar sind, und der pro Umdrehung einen Referenz­ impuls auslöst, wobei achsseitig jeweils während einer vorge­ gebenen Winkelstellung pro Umdrehung ein Referenzsignal erzeugt wird und wobei die Weginkremente in einem Zähler saldiert wer­ den, der durch die Referenzimpulse synchronisierbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß durch den je­ weils ersten Referenzimpuls (RI) nach einer vorgegebenen Anzahl von Weginkrementen (I) nach einem Referenzsignal (RS) jeweils ein Synchronisierort x _n bestimmbar ist, daß durch den ersten Synchronisierort zu Beginn der ersten Umdrehung eine Ausgangs­ lage x _O bestimmt wird, daß von dieser Ausgangslage x _O ermittelt wird, bei welchen folgenden Weginkrementen x _n jeweils der Beginn einer neuen Umdrehung erfolgt, indem x _n = INT (i · j · n · a/b) gebildet wird, daß die weiteren Synchronisierort-Sollagen da­ durch bestimmt werden, daß deren jeweilige Wegdifferenz d _n zum jeweiligen Beginn der jeweiligen Umdrehung n ermittelt wird, indem d _n = FRAC _Zähler (x _n /(i · j)) gebildet wird, daß jeweils der aktuelle Stand der Umdrehung n sowie die Werte von x _n und d _n gespeichert werden und daß der Zähler (Z) jeweils am Synchro­ nisierort für die jeweilige Umdrehung n jeweils auf einen Wert x _n + d _n setzbar ist.