DE10135960B4

DE10135960B4 - Absolutpositions-Detektionsvorrichtung für einen Linearbetätiger

Info

Publication number: DE10135960B4
Application number: DE10135960A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Ito
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: JP2001208503A; DE10135960A1; US20020050756A1

Abstract

Absolutpositions-Detektionsvorrichtung (10) für einen Linearbetätiger (1) mit einem Motor (2), einem Ausgangsschaft (3) und einer Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln der Ausgangsrotation des Motors (2) in eine lineare Bewegung des Ausgangsschafts (3), wobei die Vorrichtung aufweist: einen Rotations-Absolutsensor (5), der eine absolute rotationsmäßige Position pro Umdrehung des Motors (2) detektiert; einen Linear-Absolutsensor (6), der eine absolute lineare Position innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Ausgangsschafts (3) mit einer Linear-Hubteilung detektiert; und eine Recheneinrichtung zum Berechnen einer absoluten linearen Position des Ausgangsschafts (3) auf der Basis einer Kombination eines Ausgangssignals des Rotations-Absolutsensors (5) und eines Ausgangssignals des Linear-Absolutsensors (6); wobei der Bewegungsbereich des Ausgangsschafts (3), über den die absolute lineare Position von dem Linear-Absolutsensor (6) erfasst werden kann, von einer Distanz verschieden ist, um die der Ausgangsschaft (3) pro Umdrehung des Motors (2) nach Umwandlung durch die Umwandlungseinrichtung bewegt wird und wobei der Betrag (Lp), um den der Ausgangsschaft...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Absolutpositions-Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer absoluten Position entlang der Axialrichtung eines Linear-Aktuators bzw. Linearbetätigers. Im Spezielleren betrifft die Erfindung eine Absolutpositions-Detektionsvorrichtung, die eine einfache Konstruktion besitzt und eine absolute Position über den Bereich einer langen Hubstrecke detektieren kann.
Beschreibung des Standes der Technik
Verfahren zum Detektieren einer Absolutposition an der Achse eines Linearbetätigers beinhalten ein Verfahren, bei dem ein Linear-Absolutsensor an dem Betätiger-Schaft angebracht wird, sowie ein Verfahren, bei dem ein Rotations-Absolutsensor vom Typ mit mehreren Umdrehungen an dem Betätiger-Schaft angebracht wird, auf dem eine Kugelspindel ausgebildet ist. Ein Linearbetätiger weist im Allgemeinen einen Motor, einen Ausgangsschaft und einen Umwandlungsmechanismus zum Umwandeln des Rotationsausgangs des Motors in lineare Bewegung auf. Der Umwandlungsmechanismus weist eine mit der Motorausgangswelle gekoppelte Kugelspindel, eine Kugelspindelmutter, durch die sich das Zentrum des Ausgangsschaftes hindurch erstreckt, sowie ein Längsnutteil auf, das den Ausgangsschaft derart hält, dass sich der Ausgangsschaft nur axial bewegen kann.
Bei dem erstgenannten Verfahren, bei dem ein Linear-Absolutsensor verwendet wird, um die Absolutposition des Ausgangsschafts eines derart konfigurierten Linearbetätigers zu erfassen, ist ein Linearkodierer an dem Betätiger-Ausgangsschaft angebracht. In diesem Fall kann ein Sensor vom magnetischen Induktions-Typ als Linear-Absolutsensor verwendet werden. Ein magnetischer Induktionssensor ist in der Lage, eine Erfassung der Absolutposition innerhalb eines Bereichs von einer Steigung bzw. Teilung vorzunehmen und kann sowohl bei Rotations- als auch bei Lienartypen Anwendung finden.
DE 101 17 460 A1 zeigt einen Antrieb für eine Nutzlast in einer Maschine mit einem Motor und einem Transmissionszug aus mindestens einem ersten und einem zweiten Transmissionselement, die zur Bewegung der Nutzlast miteinander in Eingriff stehen. Das erste Transmissionselement ist der Nutzlast zugeordnet und das zweite Transmissionselement ist an einem starren Unterbau bewegbar gelagert. Das erste Transmissionselement ist mit einem Maschinenschlitten, das zweite Transmissionselement mit einem Reaktionsschlitten verbunden und der Reaktionsschlitten ist an einem Maschinenbett gelagert. Der Antrieb hat eine erste Positionsmesseinrichtung zur Ermittlung der Lage des Maschinenschlittens in Bezug auf den Reaktionsschlitten und eine zweite Positionsmesseinrichtung zur Ermittlung der Lage des Reaktionsschlittens in Bezug auf das Maschinenbett.
DE 41 12 350 A1 offenbart einen Kugelrollspindelläufer-Motor als Positionier- und Linearantrieb für Werkzeugmaschinen, Holz- und Metallbearbeitungsmaschinen oder als Positionier- und Linearantrieb in Handhabungsgeräten, Robotern und anderen Maschinen, bei denen es auf hohe Genauigkeit und grössere Verfahrwege ankommt. In einem derartigen Kugelrollspindelläufer-Motor ruht die Spindel, während der als Spindelmutter ausgebildete Anker/Läufer des E-Motors durch seine Drehbewegung eine Linearbewegung des Motors bewirkt,
2 zeigt ein Beispiel einer Anordnung, bei der ein magnetischer Induktionssensor in den Ausgangsschaft eines Linearbetätigers eingebaut ist. Wie gezeigt ist, beinhaltet der magnetische Induktionssensor 6 eine Magnetstruktur 61, die mit einer festen Teilung entlang der Axialrichtung 3a des Ausgangsschafts 3 ausgebildet ist, sowie eine Detektionsspule 62 um die Magnetstruktur 61 herum. In diesem Fall entspricht eine Detektions-Teilung einer Teilung der Magnetstruktur 61, wobei es in Axialrichtung möglich ist, eine Absolutposition innerhalb des Raumes dieser einen Teilung zu erfassen. Im Allgemeinen beträgt die Auflösung 15 bis 16 Bit, so dass es dann, wenn eine Teilung z. B. 16 mm beträgt, möglich ist, eine Auflösung von ca. 0,25 bis 0,5 μm zu erzielen.
Bei dem letztgenannten Verfahren, bei dem ein Rotations-Absolutsensor zum Erfassen einer absoluten linearen Position an dem Linearbetätiger-Ausgangsschaft 3 verwendet wird, ist ein Absolutsensor des Typs mit mehreren Umdrehungen an dem Motor-Codierer angebracht, der an der Ausgangswelle des Motors angebracht ist.
Bei dem Verfahren jedoch, das einen Linear-Absolutsensor verwendet, kommt es bei einer Steigerung der Auflösung zu einer proportionalen Verminderung in der Messdistanz. Außerdem ist ein Linear-Absolutsensor mit langer Hubstrecke, der zur Ausführung einer Messung über eine lange Messungsdistanz bei hoher Auflösung in der Lage ist, sehr teuer.
Wenn des erwünscht ist, eine absolute Position über eine lange Distanz bei Verwendung eines Sensors vom magnetischen Induktions-Typ als linearen Absolutsensor zu detektieren, so kann dies stattfinden, indem die Zahl bzw. der Betrag der Detektions-Teilung erfasst wird. Normalerweise wird der Ausgang der Detektionsspule als Basis zum Zählen der Teilungszahl verwendet, und der Zählwert wird in einem Speicher gehalten, der eine Batterieunterstützung aufweist. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um eine wünschenswerte Anordnung, da die Zuverlässigkeit der Messung von der Zuverlässigkeit der Batterie abhängig ist und da diese Anordnung die Verwendung einer Batterie und eines Zählers erforderlich macht, wodurch sich die Kosten erhöhen.
Andererseits ist der bei dem letztgenannten Verfahren verwendete Rotations-Absolutsensor größer als ein Sensor vom Linear-Typ, und Spiel bei dem Gewinde der Kugelspindel führt zur Entstehung von Messfehlern, die nicht vermieden werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der Mängel der herkömmlichen Absolutpositions-Detektionsvorrichtung eines Linearbetätigers, die zur Detektion einer absoluten Position über den Bereich einer langen Hubstrecke in der Lage ist, besteht ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Absolutpositions-Detektionsvorrichtung, die eine Absolutposition eines Lienarbetätigers über den Bereich einer langen Hubstrecke detektieren kann und dennoch eine einfache Konstruktion aufweist sowie kostengünstig ist.
Lenkt man das Augenmerk auf den Codierer, der an der Ausgangswelle des Motors angebracht ist, der zum Antreiben des Linearbetätigers verwendet wird, wird es mit der Absolutpositions-Detektionsvorrichtung für einen Linearbetätiger gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des Ausgangs des Codierers sowie des Ausgangs eines Linear-Absolutsensors, der an dem Betätiger-Ausgangsschaft angebracht ist, möglich, eine absolute Position über den Bereich einer langen Hubstrecke zu detektieren oder in bevorzugterer Weise über den Bereich der gesamten Hubstrecke zu detektieren. Es ist selbstverständlich auch möglich, dieses Ziel unter Verwendung des Ausgangs eines Rotations-Absolutsensors zu erzielen, der an der Motor-Ausgangswelle angebracht ist und die absolute rotationsmäßige Position bei jeder Umdrehung detektieren kann.
Genauer gesagt schafft die vorliegende Erfindung eine Absolutpositions-Detektionsvorrichtung für einen Linearbetätiger mit einem Motor, einem Ausgangsschaft und einer Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln der Ausgangsrotation des Motors in eine lineare Bewegung des Ausgangsschafts, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Rotations-Absolutsensor, der eine absolute rotationsmäßige Position pro Umdrehung des Motors detektiert; einen Linear-Absolutsensor, der eine absolute lineare Position innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Ausgangsschafts detektiert; eine Recheneinrichtung zum Berechnen einer absoluten linearen Position des Ausgangsschafts auf der Basis einer Kombination eines Ausgangssignals des Rotations-Absolutsensors sowie eines Ausgangssignals des Linear-Absolutsensors; wobei der Bewegungsbereich des Ausgangsschafts, über den die absolute lineare Position durch den Linear-Absolutsensor detektiert werden kann, von einer Distanz verschieden ist, um die der Ausgangsschaft pro Umdrehung des Motors nach Umwandlung durch die Umwandlungseinrichtung bewegt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die allgemeine Konfiguration einer Absolutpositions-Detektionsvorrichtung für einen Linearbetätiger gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine exemplarische Darstellung eines Sensors vom Magnetinduktions-Typ, der in den Ausgangsschaft eines Linearbetätigers integriert ist.
3 zeigt eine Signal-Wellenformdarstellung zur Erläuterung des Prinzips der Absolutpositions-Detektion gemäß der Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: Linearbetätiger
2: Motor
2a: Motorausgangswelle
3: Betätiger-Ausgangsschaft
4: Umwandlungseinrichtung
41: Kugelspindel
5: Drehcodierer
6: Sensor vom magnetischen Induktions-Typ (linearer Absolutsensor)
7: Antriebssteuerschaltung
10: Absolutpositions-Detektionsvorrichtung

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Die Absolutpositions-Detektionsvorrichtung für einen Linearbetätiger der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
1 zeigt die allgemeine Konfiguration einer Absolutpositions-Detektionsvorrichtung für einen Linearbetätiger gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Linearbetätiger 1 beinhaltet einen Motor 2, einen Ausgangsschaft 3 und eine Umwandlungseinrichtung 4 zum Umwandeln der Ausgangsrotation des Motors 2 in eine lineare Bewegung des Ausgangsschafts 3. Bei dem vorliegenden Beispiel besitzt die Umwandlungseinrichtung 4 eine Kugelspindel 41, die mit der Motorausgangswelle 2a gekoppelt ist, eine Kugelspindelmutter 42, die längs des Ausgangsschafts 3 ausgebildet ist, sowie ein Längsnutteil 43, das den Ausgangsschaft 3 derart hält, dass der Ausgangsschaft 3 sich nur in der Axialrichtung 3a bewegen kann.
Ferner ist eine auf einem Mikrocomputer basierende Antriebssteuerschaltung 7 vorhanden, die zum Steuern des Motors 2 nach Maßgabe von externen Befehlen verwendet wird, um den Ausgangsschaft 3 in eine Zielposition zu bewegen. Die Steuerung der Bewegung des Ausgangsschafts 3 erfolgt durch Rückkopplungssteuerung auf der Basis von absoluter Linearpositions-Information 3S an dem Ausgangsschaft 3, die von einer Absolutpositions-Detektionsvorrichtung 10 erhalten wird.
Auf der Basis eines Signals, das von einem an dem Motor 2 angebrachten Drehcodierer 5 abgegeben wird, sowie eines Signals, das von einem an dem Ausgangsschaft 3 angebrachten linearen Absolutsensor 6 vom magnetischen Induktions-Typ (2) abgegeben wird, berechnet die Absolutpositions-Detektionsvorrichtung 10 die absolute lineare Position des Ausgangsschafts 3 in Axialrichtung 3a und liefert die auf diese Weise berechnete absolute lineare Positionsinformation 3S an die Antriebssteuerschaltung 7.
Das Verfahren, das zum Berechnen der absoluten linearen Position bei der Absolutpositions-Detektionsvorrichtung 10 verwendet wird, wird nun unter Bezugnahme auf 3 erläutert. 3(a) zeigt ein rotationsmäßiges absolutes Signal A, das die absolute rotationsmäßige Position bei jeder Umdrehung des Motors auf der Basis des Ausgangssignals darstellt, das von dem an der Motorausgangswelle 2a angebrachten Drehcodierer 5 geliefert wird. 3(b) zeigt ein lineares absolutes Signal B, das die absolute lineare Position pro Linearhub-Teilung auf der Basis des Ausgangssignals darstellt, das von dem an dem Betätiger-Ausgangsschaft 3 angebrachten linearen Absolutsensor 6 geliefert wird. Auf der Basis der von den Sensoren 5 und 6 abgegebenen Signale werden die Signale A und B durch eine Signalverarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) in der Absolutpositions-Detektionsvorrichtung 10 erzeugt.
Bei jeder Umdrehung des Motors 2 wird der Betätiger-Ausgangsschaft 3 linear in Axialrichtung um einen Betrag bewegt, der von der Steigungsteilung der Kugelspindel 41 abhängig ist. Dabei wird die Kombination aus dem Signal A und dem Signal B überprüft. Wenn Lp der Betrag ist, um den der Ausgangsschaft 3 pro Umdrehung des Motors bewegt wird, und Sp die Detektionsteilung (eine Linearhub-Teilung) ist, wie diese von dem linearen Absolutsensor detektiert wird, und wenn Lp ≠ Sp ist, ist bei Kombination der Signale A und B selbst dann, wenn sich der Ausgangsschaft 3 innerhalb des Raumes des Bewegungsintervalls bewegt, bis aLp = bSp ist (wobei a und b beliebige Koeffizienten sind), die Kombination aus den Signalen A und B an keiner Stelle der Bewegung dieselbe. Vorausgesetzt, dass die Werte der Koeffizienten a und b ausreichend groß sind, ist es somit möglich, einen linearen Absolutsensor zu verwirklichen, der auf der Basis der Kombination der beiden Signale die absolute Position des Ausgangsschafts in Axialrichtung über eine lange Hubstrecke detektieren kann.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die absolute rotationsmäßige Position pro Motorumdrehung unter Verwendung des Drehcodierers 5 ermittelt wird, der normalerweise an dem Motor angebracht ist, besteht insbesondere keine Notwendigkeit, einen separaten Sensor anzubringen, um die absolute rotationsmäßige Position zu erfassen. Dies ist von Vorteil, da auf diese Weise verhindert ist, dass der Linearbetätiger übermäßig groß und teuer wird.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist die Umwandlungseinrichtung mit einer Kugelspindel konfiguriert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch bei einem Linearbetätiger Anwendung finden kann, der eine andere Umwandlungseinrichtung verwendet. Auch ist der zum Erfassen der absoluten rotationsmäßigen Position pro Motorumdrehung verwendete Sensor nicht auf den vorstehend beschriebenen Drehcodierer beschränkt, sondern es ist auch möglich, einen anderen Typ von Rotationspositions-Detektionssensor zu verwenden. In ähnlicher Weise ist der lineare Absolutsensor nicht auf einen Sensor vom magnetischen Induktions-Typ begrenzt, sondern es ist auch möglich, einen anderen Typ von Detektionssensor zu verwenden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, erfasst die Absolutpositions-Detektionsvorrichtung für einen Linearbetätiger gemäß der vorliegenden Erfindung die absolute lineare Position des Ausgangsschafts eines Linearbetätigers auf der Basis einer Kombination eines absoluten Rotationssignals, das die absolute rotationsmäßige Position pro Motorumdrehung darstellt, wie diese von dem an der Ausgangswelle des Linearbetätiger-Motors angebrachten Codierer ermittelt wird, sowie eines linearen absoluten Signals, das die Absolutposition pro axiale Detektions-Teilung darstellt, wie diese von einem an dem Betätiger-Ausgangsschaft angebrachten linearen Absolutsensor ermittelt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, eine absolute lineare Position über den langen Hubbereich eines Linearbetätigers unter Verwendung einer Konstruktion zu detektieren, die einfach und nicht teuer ist. Insbesondere wenn die absolute rotationsmäßige Position pro Motorumdrehung unter Verwendung des Ausgangssignals des an dem Motor angebrachten Motorsteuerungs-Codierers erzielt wird, kann die absolute lineare Position über einen langen Hub mittels einer Vorrichtung mit reduzierter Größe und verminderten Kosten detektiert werden, da im Gegensatz zu dem linearen absoluten Sensor des Standes der Technik keine Notwendigkeit besteht, einen weiteren Sensor für den Linearbetätiger zusätzlich einzusetzen.

Claims

Absolutpositions-Detektionsvorrichtung (10) für einen Linearbetätiger (1) mit einem Motor (2), einem Ausgangsschaft (3) und einer Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln der Ausgangsrotation des Motors (2) in eine lineare Bewegung des Ausgangsschafts (3), wobei die Vorrichtung aufweist: einen Rotations-Absolutsensor (5), der eine absolute rotationsmäßige Position pro Umdrehung des Motors (2) detektiert; einen Linear-Absolutsensor (6), der eine absolute lineare Position innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Ausgangsschafts (3) mit einer Linear-Hubteilung detektiert; und eine Recheneinrichtung zum Berechnen einer absoluten linearen Position des Ausgangsschafts (3) auf der Basis einer Kombination eines Ausgangssignals des Rotations-Absolutsensors (5) und eines Ausgangssignals des Linear-Absolutsensors (6); wobei der Bewegungsbereich des Ausgangsschafts (3), über den die absolute lineare Position von dem Linear-Absolutsensor (6) erfasst werden kann, von einer Distanz verschieden ist, um die der Ausgangsschaft (3) pro Umdrehung des Motors (2) nach Umwandlung durch die Umwandlungseinrichtung bewegt wird und wobei der Betrag (Lp), um den der Ausgangsschaft (3) pro Umdrehung des Motors (2) bewegt wird, ungleich der Linear-Hubteilung (Sp) ist, wie diese vom Linear-Absolutsensors (6) detektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Rotations-Absolutsensor ein Motorsteuerungs-Codierer ist, der an der Motorausgangswelle angebracht ist.