DE3820906A1

DE3820906A1 - Winkelabgriff hoher aufloesung

Info

Publication number: DE3820906A1
Application number: DE19883820906
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Scheurenbrand
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1989-12-28

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Winkelabgriff hoher Auflösung, insbesondere zum Abgreifen der Bewegung eines Roboterarmes, mit einer Teilkreisscheibe, deren Winkelbewegung abzugreifen ist, und zwei auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Teilkreisscheibe angeordneten Abtastköpfen, die aus je einem Senderteil auf einer Seite der Teilkreisscheibe und einem Empfängerteil auf der anderen Seite der Teilkreisscheibe bestehen.

Bei der Herstellung von Robotern extrem hoher Positionier genauigkeit in der Größenordnung von µ ergibt sich das Problem, die Bewegung eines Roboterarmes mit ebenfalls extrem hoher Genauigkeit abzugreifen. Die Genauigkeit des Lagewinkels des Roboterarmes geht nämlich multipliziert mit der Länge des Roboterarmes unmittelbar in die Positioniergenauigkeit ein. Die Erfindung ist aber auch bei anderen Anwendungen einsetzbar, wo ein Winkel mit hoher Genauigkeit abgegriffen werden muß.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Es ist bekannt, zur Unterdrückung des Einflusses von Unsymmetrien der Teilkreisscheibe bei Winkelabgriffen (Schlag) zwei Abtastköpfe auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Scheibe anzuordnen und deren Signale zur Bildung eines Ausgangssignals zu überlagern.

Durch die DE-OS 34 44 878 ist ein Abtastkopf für Winkelschrittgeber bekannt. Der Abtastkopf enthält einen Senderteil und einen Empfängerteil. Der Senderteil enthält Leuchtdioden, die auf einem Hybridschaltkreis sitzen. Der Hybridschaltkreis sitzt in einem Hybridgehäuse, das durch einen Deckel mit Kollimatorlinsen abgeschlossen ist. Der Empfängerteil enthält Photodioden auf einem Hybridschalt kreis, der Verstärker aufweist. Der Hybridschaltkreis sitzt in einem Hybridgehäuse, dessen Deckel als feststehendes Gitter ausgebildet ist. Die Hybridgehäuse sind hermetisch dicht geschlossen und im Abstand voneinander gehaltert. Eine drehbare Teilkreisscheibe mit einem beweglichen Gitter ragt zwischen die Hybridgehäuse.

Durch die Kollimatorlinsen wird das von den Leuchtdioden ausgehende Lichtbündel parallelgerichtet. Dieses parallele Lichtbündel tritt nacheinander durch das bewegliche Gitter der Teilkreisscheibe und das feststehende Gitter des Hybridgehäuses und fällt auf die zugehörige Photodiode. Wenn das bewegliche Gitter mit dem feststehenden Gitter zur Deckung kommt, ist der durchgelassene Lichtstrom maximal. Wenn die Gitter dagegen auf Lücke zueinander stehen, ist der durchgelassene Lichtstrom minimal. Es ist dabei möglich eine sehr feine Teilung des Gitters vorzusehen, ohne daß die Intensität der Lichtimpulse dabei zu gering wird, wie das bei Abtastung jeweils einer einzigen Lücke des Gitters der Fall wäre. Die Anbringung der Kollimatorlinsen in dem Deckel des Hybridgehäuses gestattet dabei die Verwendung sehr kurzbrennweitiger Kollimatorlinsen, so daß infolge des relativ großen erfaßten Öffnungswinkels auch mit den zwar sehr kleinen aber relativ lichtschwachen Leuchtdioden ein ausreichender Lichtstrom erhalten wird. Durch die Anbringung des festen Gitters in dem Deckel des empfängerseitigen Hybridgehäuses kann auch der Empfänger dicht an das feststehende Gitter herangerückt werden.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelabgriff extrem hoher Auflösung zu schaffen, der insbesondere zum Abgreifen der Bewegung eines Roboterarmes bei einem Roboter hoher Positioniergenauigkeit geeignet ist.

Die Erfindung geht zur Lösung dieser Aufgabe aus von einem Winkelabgriff der eingangs definierten Art mit zwei in bezug auf die Drehachse der Teilkreisscheibe diametral gegenüberliegend angeordneten Abtastköpfen. Erfindungs gemäß wird bei einem solchen Winkelabgriff die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß

(a) die Senderteile jeweils Leuchtdioden enthalten, welche auf einem senderseitigen Hybridschaltkreis sitzen,

(b) der senderseitige Hybridschaltkreis in einem Hybridgehäuse angeordnet ist, das durch einen Deckel mit Kollimatorlinsen abgeschlossen ist,

(c) der Empfängerteil Photoempfänger enthält, die ebenfalls auf einem empfängerseitigen Hybridschalt kreis sitzen,

(d) der empfängerseitige Hybridschaltkreis in einem Hybridgehäuse sitzt, dessen Deckel als feststehendes Gitter ausgebildet ist,

(e) die Teilkreisscheibe mit den Abtastköpfen in einem abgeschlossenen flachen Gehäuse sitzen, in welchem eine die Teilkreisscheibe tragende Nabe drehbar gelagert ist.

Es hat sich gezeigt, daß mit einem solchen Winkelabgriff Winkelauflösungen von 21 Bit erreichbar sind. Damit läßt sich eine Positioniergenauigkeit eines Roboterarms in der Größenordnung von µ erreichen. Der Winkelabgriff ist dabei eine kompakte und relativ robuste Baugruppe, die bequem etwa an ein Gelenk eines Roboterarms angebaut werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Winkelabgriffs, und zwar auf der linken Seite von Fig. 1 im Achsschnitt und auf der rechten Seite mit teiweise weggebrochenem Gehäuse.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des Winkelabgriffs von Fig. 1 bei abgenommenem Deckelteil des Gehäuses und auf der rechten Seite von Fig. 2 mit abgenommener Schaltkarte.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten des Abtastkopfes.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Ein Gehäuse 10 des Winkelabgriffs besteht aus einem scheibenförmigen Bodenteil 12 und einem auf den Bodenteil 12 aufgesetzten und mit diesem verbundenen Deckelteil 14. Der Bodenteil 12 weist eine zentrale Lagerbuchse 16 auf. In der Lagerbuchse 16 ist eine Nabe 18 mittels zweier Wälzlager (Kugellager) 20 und 22 gelagert. An der Nabe 18 ist ein Bund 24 angeformt. Auf diesem Bund 24 sitzt eine Teilkreisscheibe 26. Die Teilkreisscheibe 26 ist fest mit dem Bund 24 verbunden. Die Teilkreisscheibe 26 ist somit mit der Nabe 18 in der Lagerbuchse 16 fliegend gelagert.

Auf dem Bodenteil 12 sind zwei Abtastköpfe 28 und 30 montiert. Die Abtastköpfe 28 und 30 sind in bezug auf die Drehachse 32 der Teilkreisscheibe 26 diametral einander gegenüberliegend angeordnet. Jeder Abtastkopf 28 und 30 besteht aus einem Senderteil 32 bzw. 34 und einem Empfängerteil 36 bzw. 38. Die Senderteile 32 und 34 sitzen auf einer Seite der Teilkreisscheibe 26 (oben in Fig. 1) im Bereich des Randes der Teilkreisscheibe. Die Empfänger teile 36 und 38 sitzen auf der entgegengesetzten Seite der Teilkreisscheibe 26 (unten in Fig. 1) und fluchtend mit den Senderteilen 32 bzw. 34.

Einzelheiten eines Abtastkopfes 28 sind aus Fig. 3 ersichtlich.

Der Senderteil 32 enthält Leuchtdioden 40, 42, 44, welche auf einem senderseitigen Hybridschaltkreis 46 sitzen. Der senderseitige Hybridschaltkreis 46 ist in einem Hybridgehäuse 48 angeordnet. Das Hybridgehäuse 48 ist durch einen Deckel 50 abgeschlossen. In dem Deckel 50 sind Kollimatorlinsen 52, 54 und 56 gebildet. Die Kollimatorlinsen 52, 54, 56 sind sehr kurzbrennweitig und dementsprechend nahe an die Leuchtdioden 40, 42 bzw. 44 herangerückt. Dadurch erfassen sie von den kleinen, fast punktförmigen aber relativ lichtschwachen Leuchtdioden einen ziemlich großen Raumwinkel, so daß sich ein ausreichend großer Lichtstrom des erzeugten parallelen Lichtbündels ergibt.

Der Empfängerteil 36 enthält Photoempfänger 58, 60 und 62 in Form von Photodioden, die ebenfalls auf einem empfängerseitigen Hybridschaltkreis 64 sitzen. Der empfängerseitige Hybridschaltkreis sitzt in einem Hybridgehäuse 66. Das Hybridgehäuse 66 ist durch einen Deckel 68 abgeschlossen. Dieser Deckel 68 ist als feststehendes Gitter ausgebildet.

Senderteil 32 und Empfängerteil 36 sind fluchtend im Abstand voneinander in einem Halter 70 gehaltert, der in Fig. 3 abgebrochen dargestellt ist. Zwischen Senderteil 32 und Empfängerteil 36 ragt die Teilkreisscheibe 26, die an ihrem Rand ein bewegliches Gitter mit radialen Gitterstrichen entsprechend dem feststehenden Gitter auf dem Deckel 68 aufweist.

Das parallele Lichtbündel von den Leuchtdioden 40, 42, 44 tritt durch die Teilkreisscheibe 26 mit dem beweglichen Gitter und dann durch das feststehende Gitter auf dem Deckel 68. Wenn die beiden Gitter in Deckung sind, also Gitterstrich über Gitterstrich und Gitterlücke über Gitterlücke steht, dann tritt ein maximaler Lichtstrom durch die Teilkreisscheibe 26 und den Deckel 68. Stehen die beiden Gitter dagegen auf Lücke, dann ist der Lichtstrom minimal. Der Lichtstrom fällt auf die Photoempfänger 58, 60 bzw. 62 und erzeugt entsprechende Signale, wobei jeder Signalperiode ein definiertes Winkelinkrement entspricht.

Da die Leuchtdioden sehr klein sind und eine in guter Näherung punktförmige Lichtquelle darstellen, ergibt sich ein sehr genau parallelgerichtetes Lichtbündel von geringem Öffnungswinkel. Das gestattet es, mit sehr feinen Teilungen der Gitter zu arbeiten, um eine hohe Auflösung zu erzielen. Durch die Verwendung zweier Abtastköpfe 28 und 30 der beschriebenen Art wird der Einfluß von Unsymmetrien in der Lagerung der Teilkreisscheibe 26, eine weitere die Auflösung begrenzende Fehlerquelle, ausgeschaltet. Durch die Kombination dieser Maßnahmen läßt sich daher tatsächlich die hier geforderte extreme Winkelauflösung erzielen. Das wird erreicht mit einer kompakten und stabilen Baugruppe.

Eine Schaltkarte 74 für die Signalaufbereitung und Skalierung ist dicht oberhalb der Teilkreisscheibe 26 in dem Gehäuse 10 angeordnet. Die Schaltkarte 74 weist einen zentralen Durchbruch 76 auf, durch welche das Ende der Nabe 18 hindurchragt. Außerdem weist die Schaltkarte 74 seitliche Ausschnitte 78 auf, durch welche die Hybridgehäuse der Senderteile 32 bzw. 34 der Abtastköpfe 28 bzw. 30 hindurchragen.

Claims

1. Winkelabgriff hoher Auflösung, insbesondere zum Abgreifen der Bewegung eines Roboterarmes, mit einer Teilkreisscheibe (26), deren Winkelbewegung abzugreifen ist, und zwei auf diametral gegenüber liegenden Seiten der Teilkreisscheibe (26) angeordneten Abtastköpfen (28, 30), die aus je einem Senderteil (32, 34) auf einer Seite der Teilkreis scheibe (26) und einem Empfängerteil (36, 38) auf der anderen Seite der Teilkreisscheibe bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Senderteile (32, 34) jeweils Leuchtdioden (40, 42, 44) enthalten, welche auf einem senderseitigen Hybridschaltkreis (46) sitzen,
(b) der senderseitige Hybridschaltkreis (46) in einem Hybridgehäuse (48) angeordnet ist, das durch einen Deckel (50) mit Kollimatorlinsen (52, 54, 56) abgeschlossen ist,
(c) der Empfängerteil (36, 38) Photoempfänger (58, 60, 62) enthält, die ebenfalls auf einem empfängerseitigen Hybridschaltkreis (64) sitzen,
(d) der empfängerseitige Hybridschaltkreis (64) in einem Hybridgehäuse (66) sitzt, dessen Deckel (68) als feststehendes Gitter ausgebildet ist,
(e) die Teilkreisscheibe (26) mit den Abtastköpfen (28, 30) in einem abgeschlossenen flachen Gehäuse (10) sitzt,in welchem eine die Teilkreisscheibe (26) tragende Nabe (18) drehbar gelagert ist.

2. Winkelabgriff nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

(a) das Gehäuse einen scheibenförmigen Bodenteil (12) mit einer zentralen Lagerbuchse (16) aufweist,
(b) die Teilkreisscheibe (26) mit der Nabe (18) in der Lagerbuchse (18) mittels zweier Wälzlager (20, 22) fliegend gelagert ist,
(c) die Abtastköpfe (28, 30) auf dem Bodenteil (12) montiert sind und
(d) ein schalenförmiger Deckelteil (14) auf den Bodenteil (12) aufgesetzt und mit diesem verbunden ist und die Teilkreisscheibe (26) und die Abtastköpfe (28, 30) abdeckt.

3. Winkelabgriff nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Schaltkarte (72) für die Signal aufbereitung und Skalierung dicht oberhalb der Teilkreisscheibe (26) in dem Gehäuse (10) angeordnet ist und einen zentralen Durchbruch (74) aufweist, durch welche das Ende der Nabe (18) hindurchragt, sowie seitliche Ausschnitte (76), durch welche Hybridgehäuse der Abtastköpfe hindurchragen.

4. Winkelabgriff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger Photodioden sind.

5. Winkelabgriff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkreisscheibe mehr als 2²⁰, vorzugsweise 2²¹ Teilungen enthält.