Absolutes Positions- und/oder Wegmesssystem und Vorrichtung mit einem bewegbaren Teil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein absolutes Positions- und/oder Wegmesssystem für hebe- und maschinentechnische Anlagen, insbesondere Hebebühnen, das dazu dient, die Position eines bewegbaren Teils absolut zu erfassen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, insbesondere eine Hebebühne für Kraftfahrzeuge, mit einem be- wegbaren Teil, das mit Hilfe eines Antriebs insbesondere translatorisch bewegbar ist.
Bei bekannten hebe- und maschinentechnischen Anlagen, insbesondere bei Hebebühnen, werden Endschalter verwendet, um die Verfahrbewegung des bewegbaren Teils zu begrenzen. Darüber hin- aus werden bei Hebebühnen mit bewegbaren Tragelementen Potentiometer eingesetzt, um die Bewegung der Tragelemente relativ zu erfassen. Beim Einsatz von Potentiometern wird eine Drehbewegung in eine translatorische Bewegung umgerechnet, also der zurückgelegte Weg des beweglichen Teils berechnet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messsystem für hebe- und maschinentechnische Anlagen, insbesondere Hebebühnen, und eine Vorrichtung, insbesondere eine Hebebühne für Kraftfahrzeuge, mit einem bewegbaren Teil zu schaffen, bei denen nach einem einmaligen Nullpunktabgleich der zurückgelegte Weg des beweglichen Teils absolut erfasst wird.
Die Aufgabe wird durch ein absolutes Positions- und/oder Wegmesssystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist.
Mit dem erfindungsgemäßen absoluten Positions- und/oder Wegmesssystem kann die Position des bewegbaren Teils absolut erfasst werden. Ein codierter Maßkörper wird mit einer Sensoreinrichtung abgetastet. Dabei kann entweder der codierte Maßkörper relativ zu der Sensoreinrichtung oder die Sensoreinrichtung relativ zu dem codierten Maßkörper bewegt werden. Zu diesem Zweck ist entweder der Maßkörper oder die Sensoreinrichtung mit dem bewegbaren Teil gekoppelt. Die Codierung enthält zum Beispiel Angaben über die Höhe des bewegbaren Teils über dem Erdboden, und ist, wie eine Skala, in gleichmäßig oder ungleichmäßig große Abschnitte unterteilt. Beim Vorbeiführen des Maßkörpers oder der Sensoreinrichtung an dem jeweiligen Gegenstück wird die Position des bewegbaren Teils absolut erfasst.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Positions- und/oder Wegmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Maßkörper mit einer magnetisch codierten Beschichtung versehen ist. Das Ablesen des codierten Maßkörpers kann berührungslos erfolgen, wobei zwi- sehen Maßkörper und Sensoreinrichtung ein geringer Abstand vorgesehen sein kann. Der Maßkörper kann zum Beispiel von einem magnetisch beschichteten Band gebildet werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Positionsund/oder Wegmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung von einer Strahlungsquelle, insbesondere einer magnetischen oder einer optischen Strahlungsquelle, beabstandet ist, und dass der codierte Maßkörper zwischen der Sensoreinrichtung und der Strahlungsquelle angeordnet ist. Die Codierung des Maßkörpers kann bei diesem Ausführungsbeispiel von Ausnehmun- gen gebildet werden, welche die von der Strahlungsquelle ausge-
hende Strahlung, im Gegensatz zu dem Maßkörper, ungehindert durchdringen kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Positionsund/oder Wegmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Maßkörper von einem insbesondere flexiblen Band, insbesondere aus Metall, gebildet wird. Beim Einsatz einer optischen Strahlungsquelle kann auch ein Band aus Kunststoff verwendet werden. Darüber hinaus können zur Herstellung des Bandes Verbundwerkstoffe aus verschiedenen Materialien verwendet werden. Das Band kann beispielsweise eine Skalierung in Millimetern oder Zentimetern aufweisen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Positionsund/oder Wegmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Band auf eine Wickelrolle auf- und von einer Wickelrolle abwickelbar ist, die in einem insbesondere feststehenden Gehäuse drehbar gelagert ist. Das hat den Vorteil, dass das Band nur im abgewickelten Zustand außerhalb des Gehäuses angeordnet und somit Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist. Im aufgewickelten Zustand ist das Band in dem Gehäuse von Umgebungseinflüssen geschützt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Positionsund/oder Wegmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Band zwischen einer Strahlungsquelle und einem Sensor hindurchgeführt ist, die beide in dem Gehäuse angeordnet sind. Das liefert den Vorteil, dass sowohl der Sensor als auch die Strahlungsquelle innerhalb des Gehäuses vor Umgebungseinflüssen geschützt sind.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Hebebühne für Kraftfahrzeuge. Das mindestens eine bewegbare Teil wird zum Beispiel von einem Hubschlitten gebildet, der relativ zu einer Säule bewegt werden kann. Das bewegbare Teil kann beispielsweise durch einen Elektromotor oder pneumatisch,
hydraulisch etc. angetrieben sein. Das vorab beschriebene absolute Positions- und/oder Wegmesssystem, das auch als Wegmesseinrichtung bezeichnet werden kann, ermöglicht es, zum Beispiel die Höhe des bewegbaren Teils relativ zum Erdboden zu erfassen. So- bald eine definierte End- oder Zwischenposition erreicht ist, kann der Antrieb des bewegbaren Teils über eine geeignete Steuereinrichtung abgeschaltet werden. Außerdem ermöglicht das Positions- und/oder Wegmesssystem eine absolute Höhenmessung. Darüber hinaus kann mit Hilfe des absoluten Positions- und/oder Wegmesssystems die Geschwindigkeit der Bewegung des bewegbaren Teils erfasst und gezielt beeinflusst werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Teil mindestens eine Trageinrichtung umfasst, die relativ zu einer Bezugsebene, insbesondere dem Erdboden, vertikal bewegbar ist. Die Trageinrichtung kann beispielsweise einen Hubschlitten umfassen, an dem Tragarme schwenkbar angebracht sind. An dem bewegbaren Teil können aber auch mindestens eine Fahrschiene für ein Kraftfahrzeug oder andere Elemente befestigt sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine zu steuernde Einheit, insbesondere eine Säule mit einem bewegbaren Teil, aufweist, die mit einem vorab beschriebenen Positionsund/oder Wegmesssystem ausgestattet ist. Die Säule dient dazu, die Trageinrichtung zu führen. Der Maßkörper kann so an der Säule angebracht oder so in die Säule integriert sein, dass er nicht auffällt, und die optische Erscheinung der Säule nicht beeinträchtigt wird. Der Maßkörper kann über seine komplette Länge an der Säule befestigt sein. Es kann aber auch nur ein Ende des Maßkörpers an der Säule befestigt sein, und das andere Ende des Maßkörpers an einer relativ zur Säule bewegbaren Auf- und/oder Abwickelrolle angebracht sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere, insbesondere zwei Säulen mit jeweils einem bewegbaren Teil umfasst, die mit jeweils einem vorab beschriebenen Positions- und/oder Wegmess- System ausgestattet sind. Vorzugsweise ist jede Säule mit einer eigenen Trageinrichtung ausgestattet, da mehrere Trageinrichtungen eine besonders stabile Aufnahme des anzuhebenden Gegenstandes ermöglichen. Die codierten Maßkörper der Positions- und/oder Wegmesssysteme werden jeweils von einer zugehörigen Sensoreinrich- tung abgetastet. Die von den Sensoreinrichtungen gelieferten Informationen ermöglichen es, die Bewegung der Trageinrichtungen exakt zu synchronisieren, also deren Gleichlauf zu steuern.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung beziehungs- weise Sensoreinrichtungen mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist beziehungsweise sind. Die Steuereinrichtung dient dazu, die Bewegung des bewegbaren Teils in Abhängigkeit der von der Sensoreinrichtung erfassten Daten zu steuern, und insbesondere die Bewegung von mehreren bewegbaren Teilen exakt zu synchronisieren beziehungsweise definiert zu steuern.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung mindestens einen Mikrocontroller, insbesondere mehrere, voneinander unabhängige Mikrocontroller, aufweist. Der Mikrocontroller dient dazu, die von der Sensoreinrichtung erfassten Daten auszuwerten. Mehrere voneinander unabhängige Mikrocontroller ermöglichen eine gegenseitige Kontrolle. Vorzugsweise sind in dem Mikrocontroller nicht flüchtige Speicher integriert, die sicherheitsrelevante Funktionen, wie die Weg- oder Hubhöhenbegrenzung, auch bei einem Stromausfall gewährleisten.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung so programmiert ist, dass beliebige Stellungen des bewegbaren Teils, insbesondere die Endstellungen und Zwischenstellungen, erfasst und/oder angesteuert werden können.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung mit dem Antrieb des bewegbaren Teils verbunden ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die von der Sensoreinrichtung erfassten Daten direkt umge- setzt werden können.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung über ein Bussystem mit der Sensoreinrichtung und/oder den anzusteuernden E- lementen der Vorrichtung verbunden ist. Das Bussystem liefert den Vorteil, dass keine elektrischen Leitungen zur Datenübertragung benutzt werden müssen, die durch Induktionsströme in unerwünschter Weise beeinflusst werden könnten, die beispielsweise von Werkzeugen erzeugt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung mit einer Anzeigeeinrichtung in Verbindung steht. Die Anzeigeeinrichtung kann in die Sensoreinrichtung integriert sein und ist vorzugsweise an einer gut sichtbaren Stelle der Vorrichtung angebracht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Positions- und/oder Weg- messsystem gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Positionsund/oder Wegmesssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 3 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie lll-lll in Fi- gur 2 und
Figur 4 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie IV-IV in Figur 2.
In Figur 1 ist mit 1 ein bewegbares Teil einer Vorrichtung, wie einer Hebebühne, schematisch dargestellt. Durch Pfeile 2 und 3 sind die Bewegungsrichtungen des bewegbaren Teils 1 angedeutet. Bei dem bewegbaren Teil 1 kann es sich um den Hubschlitten einer Hebebühne handeln, an dem Lastaufnahmeelemente, wie zum Beispiel Tragarme, angebracht sein können. Das bewegbare Teil 1 ist durch eine (nicht dargestellte) Säule geführt und relativ zu der Säule in Richtung der Pfeile 2 und 3 translatorisch bewegbar.
An dem bewegbaren Teil 1 ist ein Sensor 5 befestigt. Der Sensor 5 wirkt mit einem codierten Band 8 zusammen, das an einem feststehenden Bauteil 9 angebracht ist. Bei dem feststehenden Bauteil 9 kann es sich um eine Säule handeln, an der das bewegbare Teil 1 geführt ist. Das codierte Band 8 ist parallel zu den Pfeilen 2 und 3, welche die Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils 1 angeben, angeordnet.
Der Sensor 5 ist zum Beispiel mit einer optischen oder magnetischen Strahlungsquelle ausgestattet. Die Strahlungsquelle kann aber auch an dem feststehenden Bauteil 9 ausgebildet oder in dieses integriert sein. Der Sensor 5 ist mit einem Empfänger ausgestattet, der dazu dient, die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung zu empfangen. Die von dem Sensor 5 empfangene Strahlung wird von der Codierung des codierten Bandes 8 beeinflusst. Bei der Codierung kann es sich zum Beispiel um Aussparungen handeln, die in dem
codierten Band 8 vorgesehen sind. Die Aussparungen bewirken, dass die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung ungehindert durch das Band 8 hindurchdringen kann. Die Codierung des Bandes 8 enthält Informationen über die Höhe relativ zum Erdboden. Diese Höheninformationen werden von dem Sensor 5 erfasst und dienen dazu, die Höhe des bewegbaren Teils 1 über dem Erdboden absolut zu erfassen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung einen einmaligen Nullpunktabgleich durchzuführen.
In Figur 2 ist ein absolutes Positions- und/oder Wegmesssystem in der Draufsicht dargestellt. Das absolute Positions- und/oder Wegmesssystem beziehungsweise die Wegmesseinrichtung ist in einem feststehenden Gehäuse 20 aufgenommen und umfasst ein codiertes Maßband 22. Das Maßband 22 ist auf eine Wickelrolle 24 auf- und von der Wickelrolle 24 abwickelbar. Die Wickelrolle 24 ist drehbar in dem Gehäuse 20 gelagert. Durch eine gestrichelte Linie 25 ist das Maßband 22 in dem Zustand angedeutet, wenn es vollständig von der Wickelrolle 24 abgewickelt ist.
Das Maßband 22 ist ausgehend von der Wickelrolle 24 durch zwei Führungsrollenpaare 27, 28 und 29, 30 hindurchgeführt. Statt der Führungsrollen werden aus Kostengründen auch bevorzugt Führungsbolzen verwendet. Zwischen den Führungsrollenpaaren 27, 28 und 29, 30 verläuft das Maßband 22 zwischen einer Strahlungsquelle 32 für magnetische Strahlung und einem Sensor 34. Neben dem Führungsrollenpaar 29, 30 ist ein weiteres Führungsrollenpaar 36, 37 gestrichelt angedeutet, durch welches das Maßband 22 aus dem Gehäuse 20 herausgeführt werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Maßband 22 jedoch im rechten Winkel um den Sensor 34 herumgeführt und zwar durch zwei weitere Führungs- rollenpaar 39, 40 und 41 , 42. Im Anschluss an das Führungsrollenpaar 41 , 42 ist das Maßband 22 bei 44 aus dem Gehäuse 20 herausgeführt. Das Ende 44 des Maßbandes 22 kann praktischerweise
durch einen Schmutzabweiser 54 hindurchgeführt werden, bevor es das Gehäuse 20 verlässt beziehungsweise in das Gehäuse 20 eingeführt wird.
In der in Figur 3 dargestellten Schnittdarstellung sieht man das Maß- band 22 ausgehend von der Wickelrolle 24 oberhalb der Führungsrollen 28, 29 und 39 in der Draufsicht. Wie man in Figur 3 sieht, sind in dem Maßband 22 unterschiedlich große Aussparungen 50, 51 und 52 vorgesehen. Die Aussparungen 50 bis 52 stellen die Codierung des Maßbandes 22 dar und haben die Funktion einer Skalierung, welche die Höhe oberhalb einer Bezugsebene, wie dem Erdboden, angibt. Das von der Strahlungsquelle 32 erzeugte Magnetfeld wird durch die Aussparungen 50 bis 52 in dem Maßband 22 unterschiedlich beeinflusst. Die Veränderungen des Magnetfelds aufgrund der Aussparungen 50 bis 52 werden von dem Sensor 34 erfasst und als Höheninformationen erkannt.
In der in Figur 4 dargestellten Schnittansicht sieht man den Verlauf des Maßbandes 22 von dem Führungsrollenpaar 29, 30 oberhalb der Führungsrollen 40 und 41 in der Draufsicht. In dieser Ansicht sieht man, dass in dem Maßband 22 weitere Aussparungen 45 bis 49 vor- gesehen sind. Statt mit den Aussparungen kann das Maßband 22 auch mit einer Beschichtung versehen sein, welche die Höheninformationen in codierter Form enthält.
Das in den Figuren 2 bis 4 dargestellte Positions- und/oder Wegmesssystem funktioniert wie folgt. Das Ende 44 des Maßbandes 22 wird an einem bewegbaren Teil, zum Beispiel dem Hubschlitten einer Hebebühne, befestigt. Das Gehäuse 20 wird beispielsweise an einer Säule einer Hebebühne befestigt. Wenn sich das bewegbare Teil mit dem daran befestigten Ende 44 des Maßbandes 22 von dem Gehäuse 20 wegbewegt, wird das Maßband 22 von der Wickelrolle 24 abgewickelt und weiter aus dem Gehäuse 20 herausgezogen, als in Figur 2 dargestellt ist. Die Bewegung des Maßbandes 22 führt da-
zu, dass sich das von der Strahlungsquelle 32 erzeugte Magnetfeld verändert, was wiederum von dem Sensor 34 erfasst wird. Über die Codierung des Maßbandes 22 kann mit Hilfe des Sensors 34 die exakte Position des bewegbaren Teils festgestellt werden. Diese In- formation kann -nach einem einmaligen Nullpunktabgleich- in die Höhe des bewegbaren Teils oberhalb des Erdbodens umgerechnet werden.
Durch das erfindungsgemäße Positions- und/oder Wegmesssystem wird insbesondere ein Gleichlaufsystem für Kraftfahrzeug- Hebebühnen und vergleichbare Konstruktionen geschaffen, mit dem eine absolute Positionsmessung zu jeder Zeit, auch nach einem Spannungsausfall, möglich ist. Die Verwendung von Endschaltern ist nicht erforderlich. Nach einem einmaligen Nullpunktabgleich arbeitet das System ohne Nachjustage. Auch nach einem Ausfall der Strom- Versorgung können die absoluten Höheninformationen abgerufen werden. Verschleißfaktoren, die bei herkömmlichen Potentiometern und Schaltelementen auftreten, können nahezu ausgeschlossen werden.
Die (nicht dargestellte) Steuerung des absoluten Positions- und/oder Wegmesssystems ist vorzugsweise mit zwei MikroControllern redundant aufgebaut. Die beiden Mikrocontroller überwachen sich über ein (ebenfalls nicht dargestelltes) internes Bussystem gegenseitig. Wenn ein Controller ausfällt, wird die Steuerung in einen fehlersicheren Zustand versetzt und eine Fehlermeldung ausgegeben. Ein Firmwa- reupdate lässt sich jederzeit realisieren. Ein in den Mikrocontroller integrierter nicht flüchtiger Speicher ermöglicht es, Daten, wie die Hubhöhenbegrenzung, auch bei einem Netzausfall permanent zu sichern. Das absolute Positions- und/oder Wegmesssystem liefert zur Echtzeit die absolute Höhe des oder der bewegbaren Teile.
Sowohl die interne Kommunikation der Mikrocontroller untereinander als auch die externe Kommunikation mit den Wegstreckensensoren
wird über ein Bussystem mit fehlersicherem Protokoll etabliert. Als Bussystem wird vorzugsweise ein differentieller 2/4-Drahtbus verwendet, der als sehr störsicher gilt.
Zum Antrieb der bewegbaren Teile werden beispielsweise Elektro- motoren verwendet, die vorzugsweise mit Dreiphasenhalbleiterrelais im Nulldurchgang geschaltet sind. Dadurch können nahezu alle auftretenden Störungen, die durch das Schalten induktiver Lasten auftreten, beseitigt werden. Außerdem arbeiten die Halbleiterrelais nahezu verschleißfrei, was sich positiv auf die Lebensdauer der elekt- ronischen Bauteile und Schalteinheiten auswirkt.
Zur Darstellung der von dem Sensor erfassten Daten kann eine Flüssigkristallanzeige mit vorzugsweise 4 mal 16 Zeichen verwendet werden. Auf der Anzeige können neben der Hubhöhe auch Status- und Fehlermeldungen angezeigt werden.
Bei den Säulenhebebühnen besteht zwischen den Antriebsspindeln der Säulen keine mechanische Kopplung. Durch unvermeidliche Drehzahltoleranzen der Asynchron-Antriebsmotoren kommt es beim Heben und Senken zu einem Ungleichlauf. Dieser Ungleichlauf wird beim Errechnen eines einstellbaren Schwellenwertes von etwa 5 bis 20 mm ausgeglichen, indem der schnellere Antrieb kurz abgeschaltet wird, bis der Gleichlauf wieder hergestellt ist.
Der Verschleiß der Tragmutter des Hubschlittens kann mit Hilfe eines induktiven Initiators überwacht werden. Bei Unterschreitung eines einstellbaren Grenzwerts kann ein Fehler angezeigt werden. Sollte eine Tragmutter brechen, führt dies zu einer Asynchronlage, die größer als der tolerierte Ungleichlauf ist. Diese Höhendifferenz wird vom Positions- und/oder Wegmesssystem erfasst und der Steuerung gemeldet. Die Steuerung geht dann sofort in einen fehlersicheren Zustand über, in dem die Hubschlitten nur noch abgesenkt werden können.
Beim Absenken der Hubschlitten stoppt die Steuerung bei einer einstellbaren Höhe von etwa 30 cm und aktiviert ein akustisches Warnsignal, um einen Fußschutz zu gewährleisten. Wenn ein zum Beispiel vorgesehener Wendehauptschalter wieder in Nullstellung und anschließend in die Schaltstellung „Senken" gebracht wird, fährt die Bühne mit akustischem Signal weiter bis zum unteren Limit.
Aufgrund des erfindungsgemäßen absoluten Positions- und/oder Wegmesssystems kann auf alle Endschalter zur Überwachung der Höhenendlagen verzichtet werden. Die in die Mikrocontroller integ- rierten nicht flüchtigen Speicher sichern die einstellbaren Grenzwerte auch bei einem Netzausfall. Diese sogenannten Softlimits lassen sich über die gesamte Wegstrecke oder Hubhöhe programmieren.
Der Maßkörper besteht aus einem absolut codierten, flexiblen Magnetband. Die magnetische Pollänge ist präzise definiert, dies ent- spricht der minimalen Auflösung.
Die verwendeten Sensoren bestehen jeweils aus einer Hallelement- Matrix und einem Mikrocontroller. Die Verwendung von Hallelementen zur Messung der Magnetfelder hat sich aus Kostengründen als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Sensoren sind mit Bustranscei- vern ausgestattet, die eine sichere Datenübertragung zur Steuerung gewährleisten.