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Dokumentenidentifikation DE102005036332B4 31.05.2007
Titel Positioniereinrichtung
Anmelder Walcher Meßtechnik GmbH, 79199 Kirchzarten, DE
Erfinder Siegel, Ulrich, 79211 Denzlingen, DE
Vertreter LOUIS, PÖHLAU, LOHRENTZ, 90409 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 29.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005036332
Offenlegungstag 08.02.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01D 5/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G05D 3/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01B 7/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B23Q 16/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung zur automatischen Positionierung einer Welle, die mit einer Einstellachse einer Maschine koppelbar ist und die eine mit der Welle mechanisch gekoppelte Stellvorrichtung und ein Meßsystem zur Erfassung der Position der Welle aufweist.

Eine derartige Positioniereinrichtung dient der Positionierung von sogenannten Einstellachsen von Maschinen, die auch als Maschinenachsen bezeichnet werden. Diese Einstell- oder Maschinenachsen sind Verstell- oder Zustellachsen, mit denen beispielsweise Werkzeuge in eine Arbeitsposition verfahren werden können. Dabei wird beispielsweise ein Maschinenschlitten, auf dem ein Werkzeug angeordnet ist, über eine Gewinnspindel bewegt.

Aus DE 100 09 429 A1 ist eine gattungsgemäße Positioniereinrichtung bekannt, die eine Stellvorrichtung und ein elektrisches Meßsystem zur Erfassung und Regelung der Position der Welle aufweist. Diese Positioniereinrichtung weist neben dem elektrischen Meßsystem weiter eine mechanische Einrichtung zur Erfassung und Anzeige der Position der Welle auf. Das elektrische Meßsystem und diese mechanische Einrichtung sind hierbei im Hinblick auf die Erfassung der Position der Welle aufeinander abgleichbar. Bei der Fertigung der Positioniereinrichtung wird das elektrische Meßsystem mittels einer Stellvorrichtung so eingestellt, dass es ein Signal erzeugt, dass einem Referenzwert, beispielsweise dem Wert 0 entspricht. Als Referenzgeber wird hierbei von dem elektrischen Meßsystem ein Potentiometer verwendet. Weiter wird ebenso die mechanische Einrichtung zur Erfassung und Anzeige der Position auf den Referenzwert, beispielsweise den Referenzwert 0 eingestellt.

Hierdurch wird erreicht, dass bei Betriebsunterbrechungen die Information über die genaue Position der Welle nicht verloren geht und somit die Maschinenachse bei Wiederaufnahme des Betriebs nicht in eine eindeutig definierte und bekannte Referenzposition verfahren werden muß.

Weiter wird in DE 413 70 92 C2 eine Vorrichtung bestehend aus einem Grobdrehwinkelgeber und einem Feindrehwinkelgeber beschrieben. Der Feindrehwinkelgeber besteht aus einer Kodescheibe, auf der ein aus vier Spuren gebildetes Kodemuster aufgebracht ist, das optisch abgetastet wird.

Mittels einer derartigen Kodescheibe lässt sich zwar ein innerhalb einer vollen Umdrehung eindeutiges Feindrehwinkelsignal ableiten. Allerdings ist der messtechnische Aufwand zum Erzielen einer hohen Auflösung aufgrund der zunehmenden Anzahl von Spuren mit zugeordneten Abtastelementen sehr hoch.

Weiter ist aus DE 197 03 525 A1 eine Vorrichtung zur Positionierung einer Welle bekannt, die die Nachteile der vorgenannten DE 413 70 92 C2 vermeidet. Bei der Vorrichtung nach DE 197 03 525 A1 ist die Welle mit einem Referenzsignalgeber, einem Feindrehwinkelgeber, einem Grobdrehwinkelgeber und einem Schrittmotor mechanisch gekoppelt. Als Feindrehwinkelgeber wird ein optischer Inkrementalgeber verwendet, der einen Feindrehwinkelzähler ansteuert. Bei dem Grobdrehwinkelgeber handelt es sich um einen Potentiometer, der über ein Untersetzungsgetriebe mit der Welle gekoppelt ist und über eine Vielzahl von Umdrehungen einen analogen Spannungswert als Grobdrehwinkelsignal liefert. Der Referenzsignalgeber liefert ein binäres Referenzsignal, das einen jeweils einem Drehwinkelabschnitt der Welle zugeordneten Referenzsignalwert annimmt. Mittels des Referenzsignals werden die Analogwerte des Grobwinkelgebers auf ein Absolutwertsignal abgebildet. Durch die Korrelation mit dem Referenzsignal wird hierbei zwar die Genauigkeit dieses Absolut-Wertes verbessert. Andererseits ist die Genauigkeit des Absolutwertes jedoch durch die Toleranzen des Analogsignals, das Getriebespiel und die Auflösung des Referenzsignalgebers begrenzt.

Geht so bei einer Betriebsunterbrechungen der Zählerstand des Feindrehwinkelzählers verloren, so muss bei Wiederaufnahme des Betriebs die Maschinenachse nach wie vor in eine eindeutig definierte und bekannte Referenzposition verfahren werden, falls hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung der Maschinenachse bestehen.

Weiter beschreibt DE 34 07 102 C2 einen Positionsgeber zur Positionsermittlung aufgrund eines inkrementalen und eines absoluten Signals. Die inkrementale Positionsbestimmung wird mittels optischer Abtastung einer Impulsgeberscheibe realisiert. Für die absolute Positionsbestimmung wird ebenfalls ein optisches Systems besteht aus einer Codescheibe, einer Lichtquelle und einem Sensor verwendet. Um das Spiel des Getriebes zwischen der Impulsgeberscheibe und der Codescheibe auszugleichen, ist eine magnetische Rasteinrichtung vorgesehen. Die Rasteinrichtung besteht aus einer im Bereich ihres äusseren Randes aus einem magnetischen Material bestehenden Codescheibe, die mit radialen parallel-flankigen Schlitzen versehen ist. Die Schlitze werden von zwei gleich ausgebildeten Polschuhen eines ortsfest angeordneten Magnetsystems übergriffen. Hierdurch wird die Scheibe stets in einer Winkelstellung positioniert, in welcher die effektive Größe des Luftspalts zwischen den Polschuhen ein Minimum hat, so dass eine entsprechende Rückstellkraft erzeugt wird.

Weiter beschreibt DE 33 42 403 C2 eine Anordnung zum Erfassen der Dreh- oder Winkellage einer drehbaren Achse eines Zeigerinstruments mittels eines Sensors, bei dem es sich auch um ein magnetisches Element handeln kann. Der Durchgang eines Auslegers durch eine bestimmte Position wird mittels Kantenerfassung bestimmt und dann ausgehend von dieser Position der Winkel mittels eines Potentiometers bestimmt.

Weiterhin beschreibt DE 199 62 153 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkellage einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine, die einen Inkrementalgeber und einen Absolutwinkelgeber aufweist. Es wird hierbei ein magnetischer Absolutwinkelgeber beschrieben, bei dem an den Wänden einer Trägerstruktur Magnete angeordnet sind und zwischen den Magnetpolen ein Drehwinkelsensor angeordnet ist, der ein Hallelement und eine weitere magnetoresistive Komponente aufweist. Die Information des magnetischen Meßsystems dient der Ansteuerung von Gaswechselventilen und zur Überprüfung der Inkrementalgeberinformation.

Weiter beschreibt EP 1 335 188 A2 ein Nachführsystem für eine Kabeltrommel, welches eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit einem Magnet und einem Hallsensor umfasst. Die Kabeltrommel ist an eine Gewindestange angeflanscht, so dass sich je nach Winkelstellung der Kabeltrommel die Endflanke der Kabeltrommel, an der der Magnet montiert ist, in unterschiedlichem Abstand zu dem Sensor befindet. Ein ähnliches Meßsystem wird weiter in WO 2004/008075 C2 beschrieben. Auch bei dieser Messeinrichtung wird durch die Drehbewegung der Luftspalt zwischen Hallsensor und Magnet verändert, wodurch mittels eines linearen Positionsmeßsystems die Winkellage bestimmt werden kann.

DE 103 46 052 A1 beschreibt ein magnetisches Meßsystem zum Erfassen des Absolutwerts der Drehstellung einer Welle eines Elektromotors, welches eine Multiturn-Drehgebereinheit und ein von der Welle antreibbares Untersetzungsgetriebe aufweist, welches die Welle im wesentlichen umschliesst und dessen Abtrieb über ein Verbindungsglied um den Singleturn-Drehgeber herum mit einem koaxial angeordneten Drehelement verbunden ist. Dieses Meßsystem ist besonders kompakt aufgebaut und wird beispielsweise zur Bestimmung der Höhe eines elektrisch verstellbaren Fahrzeugsitzes eingesetzt.

DE 43 14 274 A1 beschreibt eine Verstelleinrichtung für einen Prüfkopf, die einen Meßwandler aufweist, der als absoluter Winkelcodierer ausgelegt ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Positioniereinrichtung für eine Welle anzugeben, die mit einer Einstellachse einer Maschine koppelbar ist.

Diese Aufgabe wird von einer Positioniereinrichtung mit einer Stellvorrichtung und einem Meßsystem gelöst, bei der das Meßsystem über eine Messeinrichtung verfügt, die einen mit der Welle mechanisch gekoppelten, drehbar gelagerten Magneten und ein oberhalb oder unterhalb des Magneten im wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse des Magneten angeordnetes Feld von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren mit einer zugeordneten Auswerteelektronik aufweist, die aus den Meßwerten der Magnetfeldsensoren die absolute Winkellage des Magneten berechnet und als Ausgangssignal bereitstellt. Die erfindungsgemäße Positioniereinrichtung weist weiter eine elektrische Steuereinrichtung auf, die dieses Ausgangssignal der Auswerteelektronik erfasst, mittels diesem die absolute Ist-Position der Welle ermittelt und basierend auf der so ermittelten absoluten Ist-Position der Welle und einer vorgegebenen absoluten Soll-Position der Welle einen Regelalgorithmus zur Nachführung der Position der Welle von der Ist-Position zu der Soll-Position mittels der Stellvorrichtung durchführt und hierbei ein Steuersignal zur Ansteuerung der Stellvorrichtung erzeugt, wobei die Stelleinrichtung, das Meßsystem und die Steuereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind und die Steuereinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie über den Bus-Controller eine Absolut-Position empfängt, auf die die Welle zu positionieren ist.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass sich die Position der Welle ohne Verwendung eines inkrementalen Messverfahrens jederzeit präzise bestimmen lässt und damit auch die Durchführung von zeitaufwändigen Kalibrierungsfahrten verzichtet werden kann. Auch nach einem Stromausfall oder einer Beschädigung der Positioniereinrichtung, die zu einem Verlust von internen Zählerständen führt, kann die absolute Position der Welle noch stets mit hoher Präzision ermittelt werden und der Betrieb sofort wieder aufgenommen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bezeichnet.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Magnet an einem Ende der Welle befestigt. So ist beispielsweise ein Ende der Welle mit einem Klemmring zur Kopplung mit der Einstellachse der Maschine versehen und das gegenüberliegende Ende der Welle mit einer Aufnahmevorrichtung zur Halterung des Magneten versehen. Damit befindet sich der Magnet stets in einer festen Winkellage zur Welle, so dass der negative Einfluss eines Getriebespiels auf die Meßtoleranz eliminiert werden kann.

Es ist jedoch auch möglich, den Magneten über ein Getriebe, beispielsweise über ein Untessetzungsgetriebe oder Übersetzungsgetriebe mit der Welle mechanisch zu koppeln. Hierdurch kann einerseits eine Erhöhung der Auflösung (Übersetzungsgetriebe) oder eine Vergrößerung des Meßbereichs (Untersezzungsgetriebe) erzielt werden und das Meßsystem an die spezielle Anwendung angepasst werden, für die die Positioniereinrichtung vorgesehen ist. So kann dann u.U. darauf verzichtet werden, eine weitere Messeinrichtung in der Positioniereinrichtung vorzusehen.

Vorteilhafterweise ist der Magnet als Bipolar-Magnet ausgebildet. Das Feld von Magnetfeldsensoren wird weitere vorzugsweise von einer Vielzahl von kreisförmig angeordneten Magnetfeldsensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, gebildet. Die Magnetfeldsensoren ermitteln jeweils die orthogonale Feldkomponente des von dem Bipolar-Magneten erzeugten Magnetfeldes. Mittels der Korrelation dieser Meßsignale lässt sich dann die Winkellage des von dem Magneten erzeugten magnetischen Feldes bestimmen. Prinzipiell ist es hierbei möglich, bereits mittels zwei (oder vier) rechtwinklig zueinander und in einer Ebene angeordneten Magnetfeldsensoren die X- und die Y-Komponente des Magnetfeldes zu ermitteln und hieraus dann die Winkellage des von den Magneten erzeugten Magnetfeldes zu berechnen. Durch die Erhöhung der Anzahl der Magnetfeldsensoren lassen sich sehr hohe Auflösungen erzielen, beispielsweise eine Auflösung von 0,35°, d.h. 1024 Positionen pro Umdrehung.

Vorzugsweise wird in der Positioniereinrichtung neben dieser Messeinrichtung, die im Folgenden als erste Messeinrichtung bezeichnet wird, noch mindestens eine zweite, mechanisch mit der Welle gekoppelte Meßeinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung erfasst dann die Ausgangssignale beider Meßeinrichtungen und ermittelt hieraus die absolute Ist-Position der Welle. Bei der zweiten Messeinrichtung kann es sich um eine optische Meßeinrichtung handeln. Eine solche Meßeinrichtung besteht vorzugsweise aus zwei oder mehr über Untersetzungsgetriebe miteinander verbundene Kodescheiben, die mittels zugeordneter optischer Sensoren abgetastet werden. Mittels einer derartigen Meßeinrichtung lässt sich der Absolutwert der Anzahl der vollendeten Umdrehungen der Welle präzise und kostengünstig ermitteln.

Weiter ist es jedoch auch möglich, als zweite Messeinrichtung ein analoges Meßsystem, beispielsweise bestehend aus einem Potentiometer.

Weiter ist es auch möglich, als zweite Messeinrichtung ebenfalls einen oder mehrere drehbar gelagerte Magnete mit jeweils zugeordnetem Feld von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren und zugeordneter Auswerteelektronik zu verwenden. Der Magnet ist hierbei über ein Untersetzungsgetriebe mechanisch mit der Welle gekoppelt, so dass die Winkellage des Magneten ein Maß für die Anzahl der vollendeten Umdrehungen ist. Hierbei ist dann auch möglich, zwei und mehr drehbar gelagerte Magneten mit jeweils zugeordnetem Feld von Magnetfeldsensoren über abgestufte Untersetzungsgetriebe mit der Welle zu koppeln und so den Meßbereich der zweiten Messeinrichtung beliebig zu erhöhen.

Vorzugsweise werden hierbei die erste Meßeinrichtung zur Erfassung der absoluten Winkellage der Welle in einem Bereich von 0–360° und die zweite Meßeinrichtung zur Erfassung eines Absolutwerts der Anzahl der vollendeten Umdrehungen der Welle verwendet. Hierzu wird die erste Meßeinrichtung derart mit der Welle mechanisch gekoppelt, dass eine Umdrehung der Welle eine Umdrehung des Magneten bewirkt. Die zweite Meßeinrichtung wird dann über ein Untersetzungsgetriebe mit der Welle gekoppelt.

Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung erfasst die Steuereinrichtung neben mindestens einem von dem Meßsystem bereitgestellten Absolutwertsignals mindestens noch ein von dem Meßsystem bereitgestelltes Inkrementalsignal. Hierdurch lässt sich das Regelverhalten der Positioniereinrichtung verbessern.

Vorzugsweise stellt die erste Meßeinrichtung hierzu neben einem Absolutwertsignal, das die absolute Winkellage des Magneten beschreibt, ein Inkrementalsignal bereit, das sie zusätzlich aus den Messwerten der Magnetfeldsensoren berechnet. Hierdurch lässt sich das Meßsystem besonders kostengünstig realisieren und es kann so auch u. U. vollständig auf die Implementierung einer zweiten Messeinrichtung verzichtet werden.

Die Steuereinrichtung führt basieren auf diesen unterschiedlichen Eingangssignalen hierbei bevorzugt eine zweistufige Regelprozedur durch: In einer ersten Phase ermittelt die Steuereinrichtung die absolute Ist-Position der Welle aus dem mindestens einem Absolutwertsignal. Sodann vergleicht sie die ermittelte absolute Ist-Position der Welle mit der vorgegebenen absoluten Soll-Position und ermittelt den zugeordneten Differenzwert. In einer zweiten Phase führt die Steuereinrichtung dem Regelalgorithmus den ermittelten Differenzwert als Soll-Größe sowie das mindestens eine Inkrementalsignal als Ist-Größe zu. Durch diese kombinierte Verwendung von Absolutwertsignalen und Inkrementalsignalen wird eine Verbesserung der Einregelzeit sowie eine Verringerung der benötigten Prozessorkapazitäten erzielt.

Weiter ist es möglich, dass die Steuereinrichtung bei Erreichen der Soll-Größe in einer dritten Phase erneut die absolute Ist-Position der Welle aus dem mindestens einem Absolutwertsignal ermittelt und die ermittelte absolute Ist-Position der Welle mit der vorgegebenen absoluten Soll-Position vergleicht. Falls die absolute Ist-Position der Welle nicht mit der vorgehenden absoluten Soll-Position übereinstimmt, führt die Steuereinrichtung erneut die zweite Phase durch.

Hierdurch wird die Präzision der Positionierung weiter verbessert.

Alternativ können diese Vorteile auch dadurch erzielt werden, dass die Steuereinrichtung in einer Prüfroutine die absolute Ist-Position der Welle aus dem mindestens einen Absolutwertsignal ermittelt und als Zählerwert in einen Zähler übernimmt. In einer nachfolgenden Arbeitsphase wird der Zählerwert des Zählers gemäß dem mindestens einen Inkrementalsignal erhöht oder verringert. Die Steuereinrichtung führt hierbei dem Regelalgorithmus die vorgegebene absolute Soll-Position als Soll-Größe und den Zählerwert als Ist-Größe zu.

Die Prüfroutine wird hierbei vorzugsweise in regelmäßigen Abständen initiiert. Vorzugsweise wird die Prüfroutine auch dann durchgeführt, wenn der Motor der Stelleinrichtung stromlos geschaltet ist. Hierdurch kann beispielsweise von der Steuerung ermittelt werden, ob der von der Welle eingestellte Maschinenschlitten durch äußeren Krafteinfluss weggedrückt wird. Weiter kann während einer Arbeitsfahrt mittels der Prüfroutine der Schleppfehler ermittelt werden und gegebenenfalls von der Steuereinrichtung entsprechende Maßnahmen ergriffen werden oder entsprechende Fehlermeldungen generiert und ausgegeben werden.

Weiter wird die Prüfroutine beim Einschalten der Positioniereinrichtung oder bei Verlust des Zählerwertes, beispielsweise nach einem Spannungsabfall, initiiert.

Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind die Stelleinrichtung, das Meßsystem und die Steuereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Die Positioniereinrichtung stellt damit eine eigenständige Einheit dar, die sämtliche zur Positionierung einer Maschinenachse notwendigen Komponenten kompakt in einer geschlossenen Baugruppe bereitstellt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass hierdurch eine dezentrale Steuerung und Regelung von Maschinenachsen realisierbar ist, wodurch das Regelungsverhalten verbessert und der Verkabelungsaufwand verringert wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter zur Hilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert.

1 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung.

2 zeigt ein Blockschaltbild der Positioniereinrichtung nach 1.

3a bis 3c zeigen Varianten einer zweiten Messeinrichtung für die Positioniereinrichtung nach 2.

1 zeigt eine Außenansicht einer Positioniereinrichtung 1.

Die Positioniereinrichtung 1 findet beispielsweise Verwendung bei Bearbeitungs- und Verarbeitungsmaschinen bei denen vor der Be- bzw. Verarbeitung von Materialien dafür erforderliche Werkzeuge wie z.B. Säge-, Bohr-, oder Schleifeinrichtungen aber auch Einrichtungen zum Auftragen von Leim, Furnier, Oberflächenbeschichtungen usw. in Abhängigkeit von den Abmessungen des herzustellenden oder zu bearbeitenden Gegenstandes in definierte Positionen gefahren werden müssen. Solche Be- bzw. Verarbeitungsmaschinen finden vor allem in der verarbeitenden Industrie, beispielsweise bei Holzbearbeitungs- bzw. Holzverarbeitungsmaschinen Verwendung. Beispielsweise müssen bei der Herstellung von Möbeln eine Vielzahl von Möbelteile, die jeweils verschiedene Abmessungen aufweisen, gefertigt werden. Die verschiedenen Möbelteile werden dabei auf einer Holzbearbeitungsmaschine zugeschnitten, gefräst, geschliffen, mit Bohrungen versehen usw.. Für die Fertigung von jedem Möbelteil muss die Holzverarbeitungsmaschine so auf verschiedene Maße eingestellt werden.

Die Positioniereinrichtung 1 weist ein Gehäuse 11 und eine aus dem Gehäuse 11 der Positioniereinrichtung 1 ragende Welle 2 auf. Bei der Well 2 kann sich um eine Vollwelle oder um eine Hohlwelle handeln, die mit einer einzustellenden Maschinenachse form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist. Bei der in 1 gezeigten Welle 2 handelt es sich um eine Hohlwelle, deren Formgebung an die einzustellende Maschinenachse angepasst ist und die mittels eines Klemmrings 21 kraftschlüssig mit der Maschinenachse verbindbar ist.

Anhand von 2 wird nun der funktionelle Aufbau der Positioniereinrichtung 1 verdeutlicht.

2 zeigt die Positioniereinrichtung 1 mit der Welle 2, einer Stelleinrichtung 3, einer Meßeinrichtung 4, einer Meßeinrichtung 5, einer Steuereinrichtung 6 und einer Stromversorgungseinrichtung 7.

Die Stelleinrichtung 3 wird von einem Getriebemotor gebildet, der über ein Zahnrad 23 und einem fest auf der Welle 2 sitzenden Zahnrad 22 mechanisch mit der Welle 2gekoppelt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Stelleinrichtung 3 über zwei oder mehr Zahnräder oder über ein Getriebe mit der Welle 2 verbunden ist.

Bei der Stelleinrichtung 3 handelt es sich bevorzugt um einen elektronisch kommutierten Motor, bei dem die aktuelle Lage der drehbar gelagerten permanenten Magneten mittels eines Magnetfeldsensors ermittelt wird und die Elektromagneten des Motors entsprechend dem Messsignal der Magnetfeldsensoren von der Steuereinrichtung 6 angesteuert werden. Es ist jedoch auch möglich, in der Stelleinrichtung einen asynchronen Motor zu verwenden oder als Stelleinrichtung einen Schrittmotor einzusetzen.

Die Meßeinrichtung 4 weist einen Magneten 41, ein Feld von Magnetfeldsensoren 43 und eine zugeordnete Auswerteelektronik 44 auf. Der Magnet 41 ist in einer Halterung eingespannt, die am Ende der Welle 2 befestigt ist. Der Magnet 41 ist so in fester Winkellage zu der Welle 2 arretiert und über die Welle 2 drehbar gelagert.

Bei dem Magneten 41 handelt es sich um einen Bipolar-Magneten, der vorzugsweise einen Radius von 5–20 mm besitzt. Unterhalb des Magneten 41 ist im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse des Magneten, d.h. zur Drehachse der Welle 2, ein Feld von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren 43 angeordnet. Die Magnetfeldsensoren und die Auswerteelektronik 44 sind hierbei vorzugsweise auf einer Platine 42 angeordnet, die in wesentlich rechtwinkliger Lage zu der Drehachse des Magneten 41 in der Positioniereinrichtung 1 festgelegt ist.

Bei den Magnetfeldsensoren 43 handelt es sich um Hall-Sensoren, die kreisförmig um einen mit der Welle 2 in Flucht stehenden Punkt auf einer zur Welle 2 im Wesentlichen rechtwinklig ausgerichteten Ebene angeordnet sind. Die Auswerteelektronik 44 erfasst die Meßwerte der Magnetfeldsensoren 43, korreliert die Meßwerte miteinander und berechnet hieraus die absolute Winkellage des von dem Magneten 41 erzeugten Magnetfelds. Diese absolute Winkellage stellt sie sodann als digitales oder auch analoges Ausgangssignal 81 der Steuereinrichtung 6 zur Verfügung. Weiter generiert die Auswerteelektronik 44 aus den ihr zugeführten Messwerten ein inkrementales Ausgangssignal 82. Bei dem Inkrementalsignal 82 handelt es sich bevorzugt um ein zweikanaliges A/B-Signal aus dem in bekannter Weise die Drehrichtung des Magnetfeldes und damit die Drehrichtung der Welle 2 aus dem Phasenversatz des A/B-Signals ableitbar ist.

Die Meßeinrichtung 5 ist über ein Zahnrad 24 und das fest mit der Welle 2 verbundene Zahnrad 22 mechanisch mit der Welle 2 gekoppelt.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Meßeinrichtung 5 um eine optische Meßeinrichtung, deren Aufbau nun anhand von 3a erläutert wird.

3a zeigt die Meßeinrichtung 5, die über eine Welle 51 mit dem Zahnrad 24 gekoppelt ist. Die Meßeinrichtung 5 weist vier Kodescheiben 52, 53, 54 und 55, drei Getriebe 56, 57 und 58 und mehrere optische Sensoren auf, von denen in 3a drei Sensoren 59 gezeigt sind. Bei den Kodescheiben 52 bis 55 handelt es sich um Kodescheiben, von denen die absolute Winkellage mittels optischer Sensoren binär abtastbar ist. Im einfachsten Fall bestehen die Kodescheiben 52 bis 55 aus Zahnräder, die zwei Hälften mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, beispielsweise eine dunkle und eine hell gefärbte Hälfte, aufweisen. Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften werden von dem optischen Sensor 59 als L bzw. als H-Signal interpretiert. Die Kodescheiben 52 bis 55 können aber auch mehrere konzentrische Spuren mit in Abhängigkeit von der Winkelstellung wechselnden physikalischen Eigenschaften aufweisen, wobei mittels N solcher Spuren 2N Winkelpositionen pro Umdrehung unterscheidbar sind. Die Getriebe 56, 57 und 58 sowie die Zahnräder 22 und 24 sind hierbei so gegenseitig abgestimmt, dass die jeweils durch sie bewirkte Untersetzung mit der Anzahl der durch die nachfolgende Kodescheibe darstellbaren Winkelpositionen übereinstimmt. Werden so beispielsweise von den Kodescheiben 52 bis 55 jeweils zwei Winkelpositionen dargestellt, so wird durch die Zahnräder 22 und 24 sowie durch die Getriebe 56 bis 58 jeweils eine Untersetzung von 2:1 bewirkt. Vorzugsweise sind hierbei zwei optische Sensoren pro abzutastender Spur vorgesehen, die eine Doppelabtastung in Form einer U oder V-Abtastung durchführen und somit ein gleichzeitiges Schalten aller relevanten Bits synchron zum Signalwechsel ermöglichen. Das von den optischen Sensoren 59 erfasste Absolutwertsignal, das dem Absolutwert der Anzahl der vollen Umdrehung der Welle 2 entspricht, wird sodann als digitales Ausgangssignal 83 der Steuereinrichtung 6 zugeführt.

Eine weitere Ausführungsform der Meßeinrichtung 5 nach 2 wird nun anhand von 3b erläutert.

3b zeigt eine Meßeinrichtung 510 mit einer Welle 511, einem Getriebe 512, einem Magneten 513 und einer Platine 514 mit einem Feld von Magnetfeldsensoren 516 und einer zugeordneten Auswerteelektronik 517. Der Magnet 513, die Magnetfeldsensoren 516 und die Auswerteelektronik 517 sind wie anhand der Meßeinrichtungen 4 nach 2 erläutert ausgestaltet. Die Getriebeuntersetzung des Getriebes 512 sowie die Zahnräder 22 und 24 sind so gewählt, dass durch die Zahnräder 22 und 24 und das Getriebe 512 eine Untersetzung der Drehung der Welle 2 erzielt wird, die in etwa der Auflösung entspricht, mit der die Auswerteelektronik 517 die Drehwinkellage des Magneten 513 erfassen kann. Wird so beispielsweise von der Auswerteelektronik 517 die Winkellage in einer Auflösung von 1024 Positionen aufgelöst, so wird eine Untersetzung von 1024:1 gewählt.

Die von der Auswerteelektronik 517 ermittelte (absolute) Winkellage wird sodann als Ausgangssignal 83 der Steuereinrichtung 6 bereitgestellt. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt sodann aus dem ihr bekannten Untersetzungsverhältnis und der Winkellage die Anzahl der von der Welle 2 vollendeten Umdrehungen.

Weiter ist es auch möglich, dass zwei oder mehr Magnete mit jeweils zugeordnetem Feld von Magnetfeldsensoren mechanisch mit der Welle 2 gekoppelt werden. Dies wird nun anhand von 3c erläutert.

3c zeigt eine Welle 521, ein Getriebe 522, drei Magnete 532 bis 534 mit zugeordneten Feldern von Magnetfeldsensoren 538 und einer jeweils zugeordneten Platine und Auswerteelektronik 539. Die Magnete 532 bis 534, das Feld von Magnetfeldsensoren 538 und die Auswerteelektronik 539 sind hierbei entsprechend der Meßeinrichtung 4 nach 2 ausgestaltet. Weiter ist es auch möglich, dass die Felder von Magnetfeldsensoren auf einer für alle Magneten 532 bis 534 gemeinsamen Platine vorgesehen sein können und dass auch eine gemeinsame Auswerteelektronik 539 für alle Magnete 532 bis 534 vorgesehen ist.

Die Welle 521 ist über die Zahnräder 24 und 22 mit der Welle 2 gekoppelt. Bei dem Getriebe 522 handelt es sich um ein Untersetzungsgetriebe, das entsprechend dem Untersetzungsgetriebe 512 nach 3b ausgelegt ist. Das Untersetzungsgetriebe 522 untersetzt so beispielsweise die an der Welle 2 anliegende primäre Drehzahl in eine an den Magneten 532 anliegende sekundäre Drehzahl, und zwar mit einem Untersetzungsverhältnis von 1024:1. Dann untersetzt sie die an den Magneten 532 anliegende Drehzahl in eine am Magneten 533 anliegende Drehzahl, und zwar ebenfalls mit einem Untersetzungsverhältnis von 1024:1. Weiter untersetzt sie die an dem Magneten 533 anliegende Drehzahl in eine am Magneten 534 anliegende Drehzahl, und zwar ebenfalls in einem Untersetzungsverhältnis von 1024:1.

Die Stromversorgungseinrichtung 7 steuert und regelt die Stromversorgung der Steuereinrichtung 6, der Stellvorrichtung 3 und der Messeinrichtungen 4 und 5. Die Stromversorgungseinrichtung 7 wird so beispielsweise von einer 24V Versorgungsspannung gespeist, und stellt den übrigen Komponenten der Positioniereinrichtung 1 die jeweils von ihnen benötigte Versorgungsspannung zur Verfügung.

Die Steuereinrichtung 6 weist einen Mikroprozessor 61 mit zugeordneten peripheren Bauelementen, einen Buskontroller 62, einen Optokoppler 63 und ein Leistungsteil 64 zur Ansteuerung der Stellereinrichtung 3 auf. Die im Folgenden geschilderten Funktionen der Steuereinrichtung 6 werden hierbei von Softwareprogrammen gesteuert, die auf dem Mikroprozessor 61 der Steuereinrichtung 6 ausgeführt werden.

Die Steuereinrichtung 6 erfasst die Ausgangssignale 81 und 82 der Meßeinrichtung 4 und das Ausgangssignal 83 der Meßeinrichtung 5. Mittels der Ausgangssignale 81 und 83 ermittelt die Steuereinrichtung die absolute Ist-Position der Welle 2. Weiter empfängt die Steuereinrichtung 6 über den Buskontroller 62, der beispielsweise eine Schnittstelle zu einem CAN-Bus oder Profi-Bus bereitstellt, eine absolute Ist-Position auf die die Welle 2 zu positionieren ist. Die Ist-Position der Welle 2 kann von der Steuereinrichtung weiter auch über eine serielle Schnittstelle, beispielsweise eine RS232 Schnittstelle, oder über eine integrierte Eingabeeinrichtung erfasst werden.

Basierend auf der so ermittelten absoluten Ist-Position der Welle und der vorgehenden absoluten Soll-Position der Welle wird nun ein Regelalgorithmus zur Nachführung der Position der Welle 2 von der Ist-Position zu der Soll-Position durchgeführt. Hierzu vergleicht die Steuereinrichtung 6 die ermittelte absolute Ist-Position der Welle mit der vorgegebenen absoluten Soll-Position der Welle und ermittelt hieraus einen (relativen) Differenzwert. Dieser Differenzwert wird nun als Soll-Größe einem Regelalgorithmus zugeführt, dem weiter als Ist-Größe ein Inkrementalsignal zugeführt wird. Der Regelalgorithmus übernimmt den Differenzwert als Zählerwert eines Zählers, der gemäß dem Inkrementalsignal erhöht oder verringert wird. Der Regelalgorithmus versucht nun, beispielsweise basierend auf einem PID Algorithmus, den Zählerwert durch entsprechende Ansteuerung der Stelleinrichtung 3 auf 0 einzuregeln. Weiter ist es auch möglich, dass der Regelalgorithmus den Differenzwert als Vergleichsgröße für einen zu Beginn der Regelung auf 0 gesetzten Zähler verwendet, welcher ebenfalls gemäß des Inkrementalsignals erhöht oder verringert wird. Der Regelalgorithmus versucht nun, den Zählerwert durch entsprechende Ansteuerung der Stelleinrichtung 3 auf den Differenzwert einzuregeln.

Der Regelalgorithmus verwendet hierbei eine PI Regler oder PID Regler, dessen Ausgangsparameter die Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit des Motors der Stelleinrichtung 3 definieren. Handelt es sich bei der Stelleinrichtung 3 um einen elektronisch kommutierten Motor, so werden diese Parameter als Eingangsparameter für einen Prozess verwendet, welcher den elektronisch kommutierten Motor steuert. Dieser Prozess berechnet aus diesen Parametern und den Meßsignalen der Hall-Sensoren die Ansteuersignale für die Magnetspulen des Motors.


Anspruch[de]
Positioniereinrichtung (1) zur automatischen Positionierung einer Welle (2), die mit einer Einstellachse einer Maschine koppelbar ist, wobei die Positioniereinrichtung (1) eine mit der Welle (2) mechanische gekoppelte Stellvorrichtung (3), eine elektrische Steuereinrichtung (66) mit einem Bus-Controller (62) und ein Meßsystem zur Erfassung der Position der Welle (2) aufweist, wobei das Meßsystem eine erste Meßeinrichtung (4) aufweist, die einen mit der Welle (2) mechanisch gekoppelten, drehbar gelagerten Magneten (41) und ein oberhalb oder unterhalb des Magneten (41) im wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse des Magneten angeordnetes Feld von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren (43) mit einer zugeordneten Auswerteelektronik (44) aufweist, die so ausgestaltet ist, dass sie aus den Meßwerten der Magnetfeldsensoren (43) die absolute Winkellage des Magneten (41) zu dem Feld von Magnetfeldsensoren (43) berechnet und als Ausgangssignal (81) bereitstellt, wobei die elektrische Steuereinrichtung (6) so ausgestaltet ist, dass sie dieses Ausgangssignal (81) der Auswerteelektronik (44) erfasst, mittels dieses Ausgangssignals (81) die absolute Ist-Position der Welle (2) ermittelt, und basierend auf der so ermittelten absoluten Ist-Position der Welle (2) und einer vorgegebenen absoluten Soll-Position der Welle (2) einen Regelalgorithmus zur Nachführung der Position der Welle von der Ist-Position zu der Soll-Position mittels der Stellvorrichtung (3) durchführt und hierbei ein Steuersignal zur Ansteuerung der Stellvorrichtung (3) erzeugt, und wobei die Stelleinrichtung (3), das Meßsystem (4, 5) und die Steuereinrichtung (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (11) integriert sind, und die Steuereinrichtung (6) so ausgestaltet ist, dass sie über den Bus-Controller (62) eine absolute Position empfängt, auf die die Welle (2) zu positionieren ist. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende der Welle (2) eine Halterung zur Aufnahme des Magneten (41) vorgesehen ist. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet über ein Getriebe mit der Welle mechanisch gekoppelt ist. Positioniereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet über ein Untersetzungsgetriebe mit der Welle mechanisch gekoppelt ist. Positioniereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet über ein Übersetzungsgetriebe mit der Welle mechanisch gekoppelt ist. Positioniereinrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßsystem mindestens eine zweite, mechanische mit der Welle (2) gekoppelte Meßeinrichtung (5) aufweist und die Steuereinrichtung (6) weiter so ausgestaltet ist, dass sie ein Ausgangssignal (83) der zweiten Meßeinrichtung (5) erfasst und mittels der Ausgangssignale (81, 83) der ersten und der zweiten Meßeinrichtung (4, 5) die absolute Ist-Position der Welle (2) ermittelt. Positioniereinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (41) derart mit der Welle (2) mechanisch gekoppelt ist, das eine Umdrehung der Welle (2) eine Umdrehung des Magneten (41) bewirkt und die erste Meßeinrichtung (4) so die absolute Winkellage der Welle (2) in einem Drehwinkelbereich von 0° bis 360° erfasst und dass die zweite Meßeinrichtung (5) einen Absolutwert der Anzahl der vollen Umdrehungen erfasst und als Ausgangssignal (83) bereitstellt. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Meßeinrichtung (5) über ein Untersetzungsgetriebe (22, 24) mit der Welle gekoppelt ist. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Meßeinrichtung (5) ein oder mehrere Kodescheiben (5254) mit ein oder mehreren optischen Sensoren (59) aufweist. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Meßeinrichtung (510; 520) ein oder mehrere über ein Untersetzungsgetriebe (512; 522) mechanisch mit der Welle (2) gekoppelte, drehbar gelagerte Magneten (513; 532534) mit jeweils zugeordnetem Feld von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren (516; 538) und zugeordneter Auswerteelektronik (517; 539) aufweist, die so ausgestaltet ist, dass sie aus dem Meßwert der Magnetfeldsensoren (516; 538) die absolute Winkellage des jeweiligen Magneten (513; 532534) zu dem Feld von Magnetfeldsensoren (516; 538) berechnet und als Ausgangssignal bereitstellt. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Meßeinrichtung ein Potentiometer aufweist. Positioniereinrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) so ausgestaltet ist, dass sie mindestens ein von dem Meßsystem bereitgestelltes Absolutwertsignal (81, 83) und mindestens ein von dem Meßsystem bereitgestelltes Inkrementalsignal (82) erfasst. Positioniereinrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Meßeinrichtung (4) neben einem Absolutwertsignal (81), das die absolute Winkellage des Magneten (41) zu dem Feld von Magnetfeldsensoren (43) beschreibt, ein Inkrementalsignal aus den Meßwerten der Magnetfeldsensoren (43) berechnet und bereitstellt. Positioniereinrichtung (1) nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) so ausgestaltet ist, dass sie in einer ersten Phase die absolute Ist-Position der Welle (2) aus dem mindestens einen Absolutwertsignal (81, 83) ermittelt, die ermittelte absolute Ist-Position der Welle (2) mit einer vorgegebenen absoluten Soll-Position vergleicht und einen Differenzwert ermittelt, und dass sie in einer zweiten Phase dem Regelalgorithmus den ermittelten Differenzwert als Soll-Größe sowie das mindestens eine Inkrementalsignal (82) als Ist-Größe zuführt. Positioniereinrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) weiter so ausgestaltet ist, dass sie bei Erreichen der Soll-Größe in einer dritten Phase erneut die absolute Ist-Position der Welle (2) aus dem mindestens einem Absolutwertsignal (81, 83) ermittelt, die ermittelte absolute Ist-Position der Welle mit der vorgegebenen absoluten Soll-Position vergleicht und erneut die zweite Phase durchführt, falls die absolute Ist-Position der Welle (2) nicht mit der vorgegebenen absoluten Soll-Position übereinstimmt. Positioniereinrichtung (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) so ausgestaltet ist, dass sie die erste Phase bei jeder Änderung des absoluten Soll-Wertes durchführt. Positioniereinrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie in einer Prüfroutine die absolute Ist-Position der Welle aus dem mindestens einen Absolutwertsignal ermittelt und als Zählerwert in einen Zähler übernimmt und das sie in einer nachfolgenden Arbeitsphase den Zählerwert des Zählers gemäß dem mindestens einem Inkrementalsignal erhöht oder verringert und dem Regelalgorithmus die vorgegebene absolute Soll-Position als Soll-Größe sowie den Zählerwert als Ist-Größe zuführt. Positioniereinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfroutine in regelmäßigen Abständen initiiert wird. Positioniereinrichtung nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfroutine beim Einschalten der Positioniereinrichtung initiiert wird. Positioniereinrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) eine Hohlwelle mit Klemmring (21) oder Kupplung zur Kopplung mit der Einstellachse der Maschine ist.






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