DE3837526C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur absoluten Positionsbestimmung mit einem Positionsmeßsystem an einer Achse, insbesondere einer Drehachse, nach DE-Patent 38 32 457.1.

Bei der Verwendung von Positionsmeßsystemen mit zyklisch absoluten oder inkrementalen Positionsgebern besteht ein Problem mit dem Justieren der Achse während des Betriebs. Eine solche Neujustage wird notwendig, wenn Teile der Steuerung ausgetauscht werden oder wenn durch eine Betriebsstörung die in der Steuerung mitgeführten Positionswerte verlorengehen.

Das gemäß Hauptanmeldung vorgesehene Verfahren zum Einjustieren einer Achse bzw. eines zyklisch absoluten Positionsmeßsystems mittels Abtasten einer mechanischen Nullpunktsmarkierung an der Achse läßt sich im normalen Maschinenbetrieb manchmal nur schwer durchführen. Zum einen können Umwelteinflüsse, wie äußere Schwingungserregung, stören. Zum anderen können Anbauteile den freien Zugang zur Meßstelle und der mechanischen Nullpunktsmarkierung verwehren.

Aus der DE-OS 32 43 956 ist ein Positionsgeber zur Lagebestimmung linear verfahrbarer Maschinenteile bekannt. Die Entgegenhaltung befaßt sich mit der Problematik von Maschinenfestpunkten in Form von Endschaltern und deren Anfälligkeit gegen äußere Beeinträchtigungen durch Beschädigungen etc. Zur Lösung dieses Problems soll der Maschinenfestpunkt von der Achse weg in den Positionsgeber selbst verlegt werden. Dies setzt einen über den gesamten Arbeitsbereich absolut anzuzeigenden Positionsgeber voraus.

Mit einem zyklisch absoluten Positionsmeßsystem gemäß Hauptpatent oder mit einem inkrementalen Positionsmeßsystem läßt sich diese Technik wegen der im Prinzip unbeschränkten Zyklenzahl und des unbegrenzten Arbeitsbereiches nicht verwirklichen.

Aus der EP 02 01 106 ist ein relatives Positionsmeßsystem bekannt, das neben einer Inkrementalscheibe auch über einen getriebeübersetzten Rotationszähler verfügt. Die Schrift befaßt sich mit dem Positionsmeßsystem an sich und der Auswertung der Signale, nicht aber mit der Einrichtung eines Justagesensors.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Hauptpatent weiterzubilden und eine Möglichkeit zur Justage der Achse mit einfachen und sicheren Mitteln aufzuzeigen und auch eine Neujustage während des Maschinenbetriebes zu ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Kennzeichenteil des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.

Erfindungsgemäß wird ein Justagesensor an der Achse eingerichtet, der für die Neujustage der Achse im Betrieb einen Ersatz für die mechanische Nullpunktsmarkierung darstellt. Der Justagesensor ist an einer ganz bestimmten, vorgebbaren Achsenstellung angeordnet. Sollte einmal der Zyklus des Positionsmeßsystems verlorengehen, kann durch Überfahren des Justagesensors die Achse neu einjustiert werden. Der Justagesensor gibt in diesem Fall ein Signal an die Achssteuerung, die dem Positionsmeßsystem an dieser Stelle den vom Justagesensor bekannten Zykluswert zuordnet. Ein Positionsmeßsystem mit einem zyklisch absoluten Positionsgeber ist damit fertig justiert. Ein System mit einem inkrementalen Positionsgeber bedarf dagegen noch einer Referierung. Mit der Neujustierung des Positionsmeßsystems kann auch die mathematische Null der Achssteuerung und damit die Achse neu justiert werden.

Der Justagesensor ist im Arbeitsbereich der Achse so angeordnet, daß er im Interesse einer eindeutigen Signal-Zuordnung möglichst nur einmal überfahren wird. Er sitzt daher vorzugsweise am Endschaltergetriebe der Achse. Er kann auch auf andere Weise und je nach Größe des Achsen-Arbeitsbereichs direkt oder mittelbar mit der Achse verbunden sein. Ist eine eindeutige Signal-Zuordnung anderweitig sichergestellt, kann er auch mehrmals im Achsen-Arbeitsbereich überfahren werden.

Die Erfindung ermöglicht damit eine einfache, schnelle und von Umgebungseinflüssen freie Neujustierung der Achse und des Positionsmeßsystems im Betrieb. Außerdem läßt sich hierüber eine ständige Kontrolle des Positionsmeßsystems durchführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind für beliebige Arten von Achsen geeignet. Besondere Vorteile ergeben sich bei einem Einsatz für Manipulatoren und mehrachsige Industrieroboter.

Die Erfindung beinhaltet darüber hinaus ein besonders schnelles, sicheres und komfortables Verfahren zum Einrichten eines solchen Justagesensors. Dieses Verfahren wird einmal vor der Auslieferung und unter optimalen Bedingungen beim Maschinenhersteller durchgeführt. Es wird auch nach Tausch von mechanischen Maschinenteilen durchgeführt.

Das Einrichtverfahren bedarf eines Positionsmeßsystems mit interner zyklisch absoluter Signalgebung. Hierunter wird im Sinne der Erfindung verstanden, daß der Positionsgeber des Positionsmeßsystems innerhalb seines Zyklus absolute Positionswerte liefert, die je nach Geber direkt ablesbar oder über eine Inkrementenzählung erhältlich sind. Das Positionsmeßsystem ermittelt außerdem über einen Zähler die Zahl der durchlaufenen Zyklen und bestimmt die Drehrichtung. Das Positionsmeßsystem gibt damit insgesamt absolute Positionswerte an, wenn es justiert ist.

Die interne zyklisch absolute Signalgebung ist für ein Positionsmeßsystem nach dem Hauptpatent von Haus aus gegeben. Ein Positionsmeßsystem mit einem reinen inkrementalen Positionsgeber bedarf hingegen einer vorherigen Referierung, um dann zyklisch absolut anzuzeigen.

Bei Erreichen der mechanischen Nullpunktsmarkierung an der Achse kann dank der zyklisch absoluten Signalgebung sofort der dortige zyklisch absolute Positions-Istwert abgelesen, in die Achssteuerung eingegeben und gespeichert werden, wobei zugleich auch die mathematische Null für die Achsensteuerung festgelegt wird.

Die Einrichtposition des Justagesensors ist wählbar und richtet sich nach maschinentechnischen oder einsatzbedingten Erfordernissen. Durch die sofortige Achsjustierung an der mechanischen Nullpunktsmarkierung kann in der Achsensteuerung der Weg zur Einrichtposition ausgerechnet werden. Wird maximaler Komfort gewünscht, kann bei einer entsprechenden Auslegung des Programms und der Achsensteuerung diese Einrichtposition selbsttätig und rechnergesteuert angefahren werden. Einen optimalen Kompromiß zwischen Programmier- und Steuerungsaufwand und Komfort stellt die zweite Variante der Erfindung dar. Danach wird die Achse von Hand gesteuert in die Einrichtposition gefahren. Die Achsensteuerung gibt in diesem Fall dem Bediener über eine Anzeige den Restweg an. Der Bediener braucht damit keine Kenntnis vom genauen inkrementalen Wert der Einrichtposition zu haben. Wenn an der Anzeige der Wert Null erscheint, ist die Einrichtposition bit-genau erreicht. Auf diese Weise hat der Bediener für alle Achsenarten und Maschinentypen immer den gleichen Einrichtvorgang.

An der Einrichtposition wird der Justagesensor so lange verstellt, bis er mit der erforderlichen Genauigkeit (±1/2 Zyklus) an dieser Stelle sein Schaltsignal abgibt. Damit ist der Einrichtvorgang beendet und die Achsanordnung komplett justiert.

Besondere Vorteile ergeben sich im weiteren dahingehend, daß das Positionsmeßsystem nicht auf die mechanische Nullpunktsmarkierung der Achse eingerichtet sein muß. Sein Geber kann gegenüber der Achse beliebig festgelegt sein. Vorteilhafterweise kann der Geber auf die Kommutierung des Antriebsmotors mechanisch justiert sein.

Der Einrichtvorgang für den Justagesensor bedarf nur sehr kurzer Zeit. Die Einrichtposition muß mit der Achse auch nur einmal angefahren werden. Ferner sind die absoluten Positionswerte des Justagesensors, der mechanischen und der mathematischen Null in der Steuerung fest gespeichert und als eigener Datenblock softwaremäßig festgehalten. Bei einem Wechsel der Steuerung können die Positionswerte überspielt werden, so daß es keiner Neujustierung bedarf. Bei einem Wechsel der Achse oder der Antriebsmotoren ist hingegen eine Neujustierung fällig, die allerdings sehr schnell, sicher und komfortabel durchgeführt werden kann.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Industrieroboter mit mehreren Achsen, Positionsmeßsystemen und Justagesensoren und

Fig. 2 einen schematischen Schaltplan des Positionsmeßsystems und des Justagesensors.

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 Achsen (2), als auch die Winkelstellung der Rotorwelle (8) mit ihren Permanentmagneten gegenüber den außenseitigen Drehfeldwicklungen gemessen und an die Steuerung des Industrieroboters (10) gemeldet. In der Robotersteuerung sind mehrere Achsensteuerungen (16) integriert.

An jeder Achse (2) ist auch ein Endschaltergetriebe (6) angeordnet, an dessen Endstufe (7) zwischen zwei Endschaltern (14) ein Justagesensor (4) verstellbar angeordnet ist. Die Endschalter (14) begrenzen den Arbeitsbereich der Achse (2). Das Endschaltergetriebe (6) weist hierzu entsprechend viele Stufen auf.

In Fig. 2 ist die Endstufe (7) verdreht dargestellt. Der Justagesensor (4) ist in einer gekrümmten Langlochführung verstellbar gelagert und kann mittels Schrauben in der gewünschten Position festgeklemmt werden.

Der Justagesensor kann unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als mechanischer Taster oder berührungsloser Schalter. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht er aus einer Lichtschrankenanordnung. Der Justagesensor (4) ist über eine Signalleitung (15) mit der Achsensteuerung (16) bzw. der Robotersteuerung verbunden.

Der Justagesensor dient dazu, dem Positionsmeßsystem (1) bzw. der Achsensteuerung (16) einen neuen Zykluswert zu vermitteln, falls durch eine Betriebsstörung der alte Wert verlorengegangen ist. Der Justagesensor braucht daher nur so genau zu schalten, daß sein Signal mit Sicherheit innerhalb des vorbestimmten Positionsgeberzyklus kommt. Als Schaltgenauigkeit genügt ±1/2 Zyklus. Die Einrichteposition, zu der der Justagesensor sein Schaltsignal abgeben soll, wird daher bevorzugt auf die Mitte eines Geberzyklus festgelegt.

Die gewünschte Zahl von Geberzyklen ist frei wählbar. Sie hängt auch davon ab, ob das Positionsmeßsystem (1) direkt an der Achse (2), also am Abtrieb oder am höherdrehenden Antrieb sitzt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Justagesensor (4) in der Mitte des Achsen-Arbeitsbereiches angeordnet. Die Zykluszahl kann auch auf die Position der mechanischen Nullpunktsmarkierung, also auf den Wert Null, festgelegt sein.

Der Positionsgeber im Positionsmeßsystem gibt zyklisch absolute Signale ab. Beim zyklisch absoluten Positionsgeber gemäß Hauptpatent ist innerhalb eines Zyklus die Position absolut festgelegt. Bei einem inkrementalen Geber sind die Inkremente allesamt gleichberechtigt und werden zur Positions- oder Wegbestimmung in der Reihenfolge durchgezählt, wobei über eine zweite Spur ein Null-Impuls für die Zykluszählung erfolgt. Hier läßt sich durch eine vorherige Referierung ebenfalls eine zyklisch absolute Anzeige des Gebers erzielen. Der Null-Impuls des Positionsgebers, der mechanisch auf die Achse (2) justiert ist, wird aufgesucht und der Inkrementen-Zähler auf "0" gesetzt.

In beiden Fällen wird über die Vergleichsschaltung (5) die Zahl der durchlaufenen Zyklen festgehalten und auch die Drehrichtung bestimmt, so daß über die Signalleitung (15) letztendlich vom justierten Positionsmeßsystem (1) ein absoluter Positionswert an die Achsensteuerung (16) gemeldet wird.

Der Vorgang beim Einjustieren der Achse (2) bzw. beim Einrichten des Justagesensors (4) läuft in der nachfolgend beschriebenen Weise ab:

Zunächst wird vom Roboterhersteller festgelegt, in welchem Zyklus des Positionsmeßsystems (1) der Justagesensor (4) schalten soll. Falls ein Positionsmeßsystem mit einem inkrementalen Positionsgeber zum Einsatz kommt, wird dieses referiert, um eine zyklisch absolute Positionsanzeige zu erhalten.

Anschließend wird die mechanische Nullpunktsmarkierung an der Achse aufgesucht und abgetastet. Dies erfolgt vorzugsweise nach der Lehre des Hauptpatents. An der Nullpunktsmarkierung wird der zyklisch absolute Positionswert abgelesen, in die Achsensteuerung eingegeben und dort gespeichert. Zugleich wird die Zykluszahl besetzt, vorzugsweise auf den Wert Null. Ferner wird auch die mathematische Null für die Rechnersteuerung festgelegt. Damit ist die Achse referiert.

In der Achsensteuerung wird der Weg von der mechanischen Nullpunktsmarkierung bis zur gewünschten Einrichtposition berechnet. Letztere befindet sich vorzugsweise in der Mitte eines Geberzyklus.

Anschließend wird die Einrichtposition per Handsteuerung oder automatisch angefahren. Bei Handsteuerung wird im Rechner der Achsensteuerung die Differenz zwischen dem vorausberechneten Weg bis zur Einrichtposition und dem bereits zurückgelegten Weg errechnet. Die Achsensteuerung (16) verfügt über eine Anzeige (17), an der der noch zu durchfahrende Restweg dem Bediener mitgeteilt wird. Beim automatischen Anfahren der Einrichtposition übernimmt die Achsensteuerung (16) die Positionierung der Achse (2).

An der Einrichtposition bleibt die Achse (2) stehen. In der Endstufe (7) des Endschaltergetriebes (6) ist ein Schaltkontakt vorgesehen, der mit den Achsenbewegungen mitbewegt wird. Auf diesen wird der Justagesensor (4) durch Verschieben so eingerichtet, daß er genau an der vorgegebenen Einrichtposition das Schaltsignal absetzt.

In der Achsensteuerung (16) werden die Abstände der mechanischen Nullpunktsmarkierung von der Einrichtposition bzw. Schaltposition des Justagesensors sowie von der mathematischen Null und der zyklisch absolute Positionswert des Gebers an der mechanischen Nullpunktsmarkierung gespeichert. Mit diesen Werten kann das Positionsmeßsystem bei Verlust der Zykluszahl neu justiert werden. Hierzu wird die Achse (2) so lange verfahren, bis der Justagesensor (4) schaltet. In dieser Achsenstellung wird die Zykluszahl im Positionsmeßsystem mit dem von der Einrichtposition her bekannten und vorgegebenen Zykluswert neu besetzt. Dies kann problemlos am Einsatzort des Industrieroboters (10) geschehen. Bei einem inkrementalen Positionsgeber ist darüber hinaus noch eine Referierung über den Null-Impuls notwendig.

Nachdem der Justagesensor (4) im Arbeitsbereich der Achse (2) angeordnet ist und immer wieder überfahren wird, kann er auch als ständige Referenzkontrolle für die Richtigkeit der zyklischen Positionswerte herangezogen werden. Auf seinen Schaltimpuls wird in der Achsensteuerung (16) ein Vergleich durchgeführt, ob die vom Positionsmeßsystem gemeldete Zykluszahl tatsächlich mit der Zykluszahl der Sensorposition übereinstimmt.

Stückliste

 1 Positionsmeßsystem
 2 Achse, Drehachse, Roboterachse
 3 Positionsgeber, zyklisch absolut oder inkremental
 4 Justagesensor
 5 Vergleichsschaltung
 6 Endschaltergetriebe
 7 Endstufe
 8 Rotorwelle
 9 Drehstrommotor
10 Manipulator, Industrieroboter
11 Schwinge
12 Ausleger
13 Roboterhand
14 Endschalter
15 Signalleitung
16 Achsensteuerung, Robotersteuerung
17 Anzeige

Claims (9)

1. Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung mit einem Positionsmeßsystem an einer Achse, insbesondere einer Drehachse, nach DE-Patent 38 32 457.1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Justieren der Achse über ein Positionsmeßsystem mit interner zyklisch absoluter Signalgebung die mechanische Nullpunktsmarkierung an der Achse angefahren und der dortige zyklisch absolute Positions-Istwert abgelesen und in eine Achsensteuerung eingegeben wird, daß in der Achsensteuerung der Weg von diesem Positions-Istwert der Nullpunktsmarkierung zu einer vorgebbaren Einrichtposition eines Justagesensors errechnet wird, und daß danach diese Einrichtposition mit der Achse angefahren und der Justagesensor dort eingerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtposition des Justagesensors in der Mitte eines wählbaren Geberzyklus des Positionsmeßsystems liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein inkrementales Positionsmeßsystem vor dem Anfahren der mechanischen Nullpunktsmarkierung an der Achse auf eine zyklisch absolute Anzeige referiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse von Hand in die Einrichtposition gefahren wird, wobei von der Achsensteuerung die Differenz zwischen dem errechneten Weg bis zur Einrichtposition und dem bereits zurückgelegten Weg berechnet und optisch angezeigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse von der Achsensteuerung automatisch in die Einrichtposition gefahren wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionssmeßsystem (1) mit interner zyklisch absoluter Signalgebung an der Achse (2) angeordnet und mit einer Achsensteuerung (16) verbunden ist, daß die Achse (2) eine mechanische Nullpunktsmarkierung aufweist, und daß an der Achse (2) ein Justagesensor (4) verstellbar angeordnet ist, der mit der Achsensteuerung (16) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (2) ein Endschaltergetriebe (6) aufweist, an dessen Endstufe (7) der Justagesensor (4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionsmeßsystem (1) einen inkrementalen oder zyklisch absoluten Positionsgeber aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsensteuerung (16) eine Anzeige (17) für inkrementale Positionswerte aufweist.