DE102014117200A1

DE102014117200A1 - Positionserfassungssystem

Info

Publication number: DE102014117200A1
Application number: DE102014117200.0A
Authority: DE
Inventors: Uwe Prüßmeier; Uwe Borchardt
Original assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US10128733B2; US20160146891A1

Abstract

Ein Positionserfassungssystem 100 für einen Antrieb 1 mit einem längs eines Pfades 4 beweglichen Läufer 20 umfasst eine Gebereinheit 110, eine Signalerfassungseinheit 120 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 30. Die Gebereinheit 110 oder die Signalerfassungseinheit 120 ist am Läufer 20 und die jeweils andere Einheit entlang des Pfades 4 angeordnet. Weiterhin ist die Signalverarbeitungseinrichtung 30 dazu ausgebildet, auf Grundlage einer relativen Lage von Gebereinheit 110 und Signalerfassungseinheit 120 ein erstes Positionssignal und ein zweites Positionssignal zu erzeugen. Die Signalverarbeitungseinrichtung 30 ist dazu ausgebildet, aus Phasenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals eine Längsposition des Läufers 20 längs des Pfades 4 zu bestimmen. Des Weiteren ist die Signalverarbeitungseinrichtung 30 dazu ausgebildet, aus Amplitudenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals einen quer zu dem Pfad 4 gerichteten Abstand 101 zwischen der Gebereinheit 110 und der Signalerfassungseinheit 120 zu bestimmen und aus dem Abstand 101 einen Betriebszustand des Antriebs 1 zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positionserfassungssystem für einen Antrieb, einen Antrieb sowie ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebszustandes eines Antriebs.
Antriebe mit längs eines Pfades beweglichen Läufern werden unter anderem in der Automatisierungstechnik eingesetzt. In der Regel werden die Läufer von einem Führungssystem entlang des Pfades geführt. Ein solches Führungssystem kann etwa längs des Pfades angeordnete Führungsschienen und an dem Schlitten angebrachte und auf den Führungsschienen abrollende Rollen umfassen. Oftmals sind derartige Antriebe als Linearmotoren ausgebildet und umfassen an den Läufern angeordnete Antriebsmagnete, welche mit längs des Pfades angeordneten Antriebsspulen zusammenwirken. Die Läufer des Antriebs können dann bewegt oder angetrieben werden, indem die Antriebsspulen mit einem Strom beaufschlagt werden, so dass die Antriebsspulen ein geeignetes, entlang des Weges propagierendes Magnetfeld erzeugen.
Derartige Antriebe umfassen in der Regel ein Positionserfassungssystem, welches die Längsposition der Läufer entlang des Pfades erfasst und an eine Steuerung des Antriebs überträgt. Ein solches Positionserfassungssystem erlaubt es unter anderem, die Bewegung der Läufer gemäß einem vorgegebenen Steuerungsprogramm zu steuern oder zu regeln. Als Positionserfassungssysteme kommen unter anderem magnetische, optische oder induktive Positionserfassungssysteme zum Einsatz. Ein induktives Positionserfassungssystem wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE102012204917A1 offenbart.
Der Einsatz von Linearmotoren in der Automatisierungstechnik erlaubt es unter anderem, Produktionsgüter in einer Fertigungsanlage flexibel und unabhängig voneinander zu transportieren. Ein Linearmotor, der eine unabhängige Bewegung einzelner Läufer ermöglicht, erlaubt es etwa, von den Läufern transportierte Produktionsgüter während des Transports zu gruppieren, um sie in einer gemeinsamen Verpackung zusammenfassen zu können.
Der Betriebszustand eines derartigen Antriebs wird in der Regel laufend überwacht, um Störungen des Antriebs oder Fehler im Produktionsablauf erkennen zu können. Im Rahmen der Überwachung des Betriebszustandes kann unter anderem eine Beladung eines Läufers mit einer Nutzlast, ein Gewicht einer transportierten Nutzlast oder ein Verschleiß des Antriebs, etwa des die Läufer führenden Führungssystems, ermittelt werden. Hierzu werden in der Regel Sensoren eingesetzt, welche entlang des Pfades oder an den Läufern angeordnet sind und Daten an eine den Fertigungsprozess überwachende Steuerung senden. Bei diesen Sensoren kann es sich unter anderem um Lichtschranken, Hallsensoren oder Berührungssensoren, etwa Anschlagsensoren, handeln. Ein derartiges System ist beispielsweise aus der DE102011003682A1 vorbekannt.
Nachteilig an einem Einsatz derartiger Sensoren ist unter anderem, dass diese zusätzlich zu den Antriebskomponenten entlang des Pfades angeordnet werden müssen, was einen erhöhten Kosten- und Installationsaufwand bedeutet. So müssen etwa die Sensoren zur Überwachung des Betriebszustandes separat mit der Steuerung verkabelt werden. Insbesondere bei einer Anordnung der Sensoren am Läufer stellt sich das Problem einer Datenübertragung zur ortsfesten Steuerung, welche entweder eine Verkabelung der Läufer oder das Mitführen aktiver kabelloser Datenübertragungseinrichtungen auf den Läufern erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil ist oftmals auch, dass zur Bestimmung des Betriebszustandes, etwa zur Bestimmung eines Verschleißes des Führungssystems durch regelmäßige Inspektion, der Antrieb angehalten und die Produktion unterbrochen werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System bereitzustellen, welches eine Überwachung des Betriebszustandes eines Antriebs ermöglicht und die genannten Nachteile überwindet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb bereitzustellen, dessen Betriebszustand unter Vermeidung der genannten Nachteile überwacht werden kann. Ebenfalls ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches eine Überwachung des Betriebszustands eines Antriebs ermöglicht und die genannten Nachteile überwindet.
Diese Aufgaben werden durch ein Positionserfassungssystem gemäß Anspruch 1, durch einen Antrieb gemäß Anspruch 12 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein Positionserfassungssystem für einen Antrieb mit einem längs eines Pfades beweglichen Läufer umfasst eine Gebereinheit, eine Signalerfassungseinheit und eine Signalverarbeitungseinrichtung. Die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit ist am Läufer und die jeweils andere Einheit entlang des Pfades angeordnet. Weiterhin ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, auf Grundlage einer relativen Lage von Gebereinheit und Signalerfassungseinheit ein erstes Positionssignal und ein zweites Positionssignal zu erzeugen. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist dazu ausgebildet, aus Phasenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals eine Längsposition des Läufers längs des Pfades zu bestimmen. Des Weiteren ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, aus Amplitudenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals einen quer zu dem Pfad gerichteten Abstand zwischen der Gebereinheit und der Signalerfassungseinheit zu bestimmen und aus dem Abstand einen Betriebszustand des Antriebs zu ermitteln.
Indem der Betriebszustand aus den Positionssignalen des Positionserfassungssystems ermittelt wird, kann vorteilhafterweise eine besonders einfache und kostengünstige Überwachung des Betriebszustandes des Antriebs realisiert werden. Insbesondere kann auf separate Sensoreinrichtungen zur Überwachung des Betriebszustands und auf separate Datenübertragungseinrichtungen zur Übermittlung des Betriebszustandes an die Signalverarbeitungseinrichtung, an eine Steuer- oder an eine Überwachungseinrichtung verzichtet werden. Außerdem kann der Betriebszustand vorteilhafterweise während des Betriebs des Antriebs, insbesondere während einer Bewegung des Läufers entlang des Pfades, ermittelt werden. Handelt es sich bei dem Positionserfassungssystem um ein berührungsloses System, beispielsweise um ein induktives oder magnetisches System, so kann die Überwachung des Betriebszustandes vorteilhafterweise ebenfalls berührungslos erfolgen.
Der von dem Positionserfassungssystem aus dem Abstand zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit ermittelte Betriebszustand des Antriebs kann beispielsweise eine Beladung des Läufers mit einer Nutzlast, ein Gewicht der Nutzlast oder ein Über- oder Unterschreiten einer zulässigen Gewichtsgrenze der Nutzlast umfassen. Des Weiteren kann der Betriebszustand einen Verschleiß eines Führungssystems beinhalten, welches dazu ausgebildet ist, den Läufer längs des Pfades zu führen. Bei einem Führungssystem, das auf einer Lauffläche laufende Rollen umfasst, können insbesondere Beschädigungen der Rollen, der Laufflächen oder eines Lagers der Rollen ermittelt werden.
Indem das Positionserfassungssystem dazu ausgebildet ist, die Längsposition des Läufers entlang des Pfades aus Phasenwerten und den Abstand zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit quer zum Pfad aus Amplitudenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals zu bestimmen, können die Längsposition und der Abstand, bzw. der Betriebszustand, vorteilhafterweise unabhängig voneinander bestimmt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Positionserfassungssystem derart ausgelegt ist, dass der Abstand quer zum Pfad keinen Einfluss auf die Phasenwerte des ersten und des zweiten Positionssignals und die Längsposition keinen Einfluss auf die Amplitudenwerte des ersten und des zweiten Positionssignals haben.
Eine unabhängige Bestimmung von Längsposition und Abstand ist insbesondere dann auf vorteilhaft einfache Weise möglich, wenn das Positionserfassungssystem dazu ausgelegt ist, dass die Werte des ersten und des zweiten Positionssignals bei einer Verlagerung der Gebereinheit gegenüber der Signalerfassungseinheit längs des Pfades jeweils eine harmonische Schwingung mit konstanten Amplitudenwerten und einem festgelegten relativen Phasenversatz ausführen. Dabei ist eine Phasenänderung des ersten und des zweiten Positionssignals bevorzugt proportional zu einer Änderung der Längsposition des Läufers entlang des Pfades. Weiterhin beeinflusst eine Änderung des Abstandes zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit quer zum Pfad bevorzugt die Amplitudenwerte des ersten und des zweiten Positionssignals, nicht jedoch deren Phasenwerte. Dann können die Phasenwerte des ersten und des zweiten Positionssignals auf vorteilhaft einfache Weise aus dem Verhältnis des ersten und des zweiten Positionssignals bestimmt werden, während die Amplitudenwerte aus der Quadratsumme des ersten und des zweiten Positionssignals bestimmt werden können.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das Positionserfassungssystem als induktives Positionserfassungssystem ausgebildet und die Signalerfassungseinheit umfasst eine Erregerspule, eine Sinusempfängerspule und eine Cosinusempfängerspule. Dabei bilden die Sinusempfängerspule und die Cosinusempfängerspule eine sinusförmige Flächenumrandung aus und sind mit einem räumlichen Phasenversatz angeordnet. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist dazu ausgebildet, aus Signalen der Sinusempfängerspule das erste Positionssignal zu erzeugen und aus Signalen der Cosinusempfängerspule das zweite Positionssignal zu erzeugen. Weiterhin ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, die Längsposition aus einem Verhältnis aus dem ersten Positionssignal und dem zweiten Positionssignal zu bestimmen und den Abstand aus einer Quadratsumme des ersten und des zweiten Positionssignals zu bestimmen.
Ein induktives Positionserfassungssystem mit Sinus- und Cosinusempfängerspulen erlaubt es auf vorteilhaft einfache Weise, Positionssignale zu erzeugen, deren Werte bei einer Verlagerung des Läufers harmonische Schwingungen ausführen. Das erste und das zweite Positionssignal können bei einem derartigen System auf vorteilhaft einfache Weise erzeugt werden, indem die Gebereinheit mit einem durch die Erregerspulen erzeugten magnetischen Erregerfeld zusammenwirkt. Beispielsweise kann die Gebereinheit dazu ausgebildet sein, das Erregerfeld zu dämpfen und dadurch eine von dem Erregerfeld in den Empfängerspulen induzierte Spannung, insbesondere eine Differenzspannung, zu verändern. Alternativ kann die Gebereinheit auch einen elektromagnetischen Schwingkreis umfassen, der durch das Erregerfeld angeregt wird und seinerseits ein magnetisches Feld erzeugt, welches die Signale in den Sinus- und Cosinusempfängerspulen induziert. Außerdem erlaubt es eine Ausgestaltung des Positionserfassungssystems als induktives Positionserfassungssystem vorteilhafterweise, auf aktive elektronische Bauelement in der Gebereinheit zu verzichten. Insbesondere bei einer Anordnung der Gebereinheit an dem Läufer ermöglicht dies eine rein passive Ausgestaltung des Läufers. Die Verwendung eines induktiven Positionserfassungssystems zur Bestimmung des Betriebszustandes des Antriebs erlaubt es also auf einfache Art und Weise, den Betriebszustand berührungslos und ohne die Installation zusätzlicher Überwachungssensoren zu ermitteln und zu überwachen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer Variation des Abstandes zur Ermittlung des Betriebszustandes zu bestimmen und daraus insbesondere eine Störung einer Bewegung des Läufers zu detektieren.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, einen Defekt eines den Läufer längs des Pfades führenden Führungssystems des Antriebs zu detektieren.
Eine Bestimmung der Frequenz und/oder Amplitude der Variation des Abstands erlaubt es vorteilhafterweise, auf einfache Art und Weise Rückschlüsse auf die Ursache der Störung der Bewegung und damit den Betriebszustand des Antriebs zu ziehen. Beispielsweise deuten Abstandsvariationen, welche sich nach jeweils einer Umdrehung von Rollen einer Rollenanordnung des Führungssystems wiederholen, auf einen Defekt an zumindest einer der Rollen oder an einem Rollenlager hin. Abstandsvariationen, welche sich jeweils nach einem Umlauf des Läufers um einen in sich geschlossenen Pfad wiederholen, deuten dagegen auf einen lokalen Defekt von ortsfesten Teilen des Führungssystems, beispielsweise einer Führungsschiene, hin. Auf diese Weise können auf vorteilhaft einfache Weise Defekte, insbesondere Verschleißerscheinungen, des Antriebs detektiert und analysiert werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, zum Zwecke der Ermittlung des Betriebszustandes den Abstand mit der Längsposition des Läufers entlang des Pfades und/oder mit einer Geschwindigkeit des Läufers und/oder mit einer Energieaufnahme eines den Läufer antreibenden Antriebselements des Antriebs zu korrelieren. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, Rückschlüsse hinsichtlich der Ursachen einer Abstandsvariation und damit auf den Betriebszustand des Antriebs zu ziehen. Insbesondere kann bei einer Korrelation der gemessenen Abstandswerte mit der Längsposition des Läufers entlang des Pfades festgestellt werden, ob eine Variation des Abstandes ortsfest an einer bestimmten Stelle eines den Läufer führenden Führungssystems auftritt. Dies deutet auf einen Defekt des Führungssystems an dieser bestimmten Stelle hin. Eine Änderung des Abstandes, welche mit einer erhöhten Energieaufnahme des Antriebselements korreliert, kann beispielswiese auf einen Belag, beispielsweise eine Verschmutzung, auf einer Lauffläche des Führungssystems hindeuten. Da sowohl der Abstand, als auch die Längsposition aus dem ersten und dem zweiten Positionssignal bestimmt wird, können der Abstand und die Längsposition auf besonders einfache Weise miteinander korreliert werden. Insbesondere kann ein zeitlicher Abgleich zwischen Signalen getrennter Sensor- oder Erfassungssysteme, beispielsweise über Zeitstempel in entsprechenden Signaldaten, entfallen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Signalerfassungseinheit ortsfest längs des Pfades und die Gebereinheit am Läufer angeordnet. Dies erlaubt vorteilhafterweise eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung des Positionserfassungssystems bzw. eines Antriebs mit einer verbesserten Betriebszustandsüberwachung. Insbesondere ist es möglich, eine an dem Läufer angeordnete Gebereinheit und damit auch den Läufer selbst passiv, das heißt ohne aktive elektrische oder elektronische Komponenten auszubilden. Außerdem kann vorteilhafterweise auf eine elektrische Kontaktierung des Läufers oder ein Mitführen einer Energieversorgung auf dem Läufer verzichtet werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Gebereinheit und die Signalerfassungseinheit derart ausgebildet, dass eine äußere Krafteinwirkung auf die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit eine Änderung des Abstandes zwischen der Gebereinheit und der Signalerfassungseinheit bewirkt. Weiterhin ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, im Rahmen der Ermittlung des Betriebszustandes die äußere Krafteinwirkung zu erfassen. Hierdurch wird ein vorteilhaft einfaches und zuverlässiges Erfassen der äußeren Krafteinwirkung und damit des Betriebszustandes des Antriebs über das Positionserfassungssystem ermöglicht. Die äußere Krafteinwirkung kann beispielsweise aus einer Beladung des Läufers mit einer Nutzlast, sowie einem Kontakt des Läufers zu anderen Elementen des Antriebs oder eines den Antrieb umfassenden Systems verursacht werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Gebereinheit und die Signalerfassungseinheit derart angeordnet, dass eine Gewichtskraft einer von dem Läufer beförderten Nutzlast die äußere Krafteinwirkung verursacht. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann der zu ermittelnde Betriebszustand des Antriebs vorteilhafterweise ein Vorhandensein der Nutzlast auf dem Läufer, ein Gewicht der Nutzlast oder eine Über- oder Unterschreitung einer festgelegten Gewichtsgrenze durch die Nutzlast umfassen und mittels einer Auswertung des Abstands zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit auf einfache Weise ermittelt werden. Eine Erfassung der Gewichtskraft über das Positionserfassungssystem erlaubt einen vorteilhaft einfachen Aufbau des Antriebs unter Verzicht einer speziellen Sensorik zur Gewichtskraftdetektion. Darüber hinaus kann die Gewichtskraft während der Bewegung des Läufers ermittelt werden und es kann ein Verlust der Nutzlast während des Transports auf einfache Weise erkannt werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Gebereinheit und die Signalerfassungseinheit derart angeordnet, dass die äußere Krafteinwirkung von einer Mechanikeinheit auf die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit ausgeübt wird. Die Mechanikeinheit ist dabei dazu ausgebildet, aus der Gewichtskraft der Nutzlast eine quer zum Pfad gerichtete Querkraft zu erzeugen.
Der Einsatz einer Mechanikeinheit zur Ausübung der äußeren Krafteinwirkung auf die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit erlaubt vorteilhafterweise auch dann eine Erfassung der Gewichtskraft einer Nutzlast, wenn für eine Variation des Abstandes zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit eine Kraftkomponente quer zum Pfad notwendig ist, der Antrieb jedoch derart ausgelegt ist, dass die Gewichtskraft der Nutzlast keine ausreichende Querkraftkomponente aufweist. Über ein Übersetzungsverhältnis der Mechanikeinheit kann darüber hinaus vorteilhafterweise die aus der Gewichtskraft der Nutzlast resultierende Krafteinwirkung angepasst werden. Zudem ermöglicht es die Mechanikeinheit, den Messbereich zur Bestimmung der Gewichtskraft durch ein Anbringen eines geeigneten Konterelements, beispielsweise einer Feder oder eines Gegengewichts, zu verschieben und so optimal an die beförderte Nutzlast und den zu bestimmenden Betriebszustand anzupassen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit an dem Läufer angebracht und dazu ausgebildet, dass die äußere Krafteinwirkung im Wesentlichen eine elastische Verbiegung eines elastischen Teils der Gebereinheit bzw. der Signalerfassungseinheit quer zum Pfad bewirkt. Eine derartige Ausgestaltung der Gebereinheit bzw. der Signalerfassungseinheit ermöglicht es auf vorteilhaft einfache Weise, ein Positionserfassungssystem zu realisieren, bei dem eine äußere Krafteinwirkung auf die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit eine Änderung des Abstandes zwischen den beiden Einheiten bewirkt und welches eine einfache Ermittlung des Betriebszustandes des Antriebs, insbesondere während einer Bewegung des Läufers, ermöglicht.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit an dem Läufer angeordnet und dazu ausgebildet, dass die äußere Krafteinwirkung im Wesentlichen einen quer zum Pfad gerichteten Versatz der Gebereinheit bzw. der Signalerfassungseinheit gegenüber der jeweils anderen Einheit bewirkt. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass ein Winkel zwischen der Gebereinheit und der Signalerfassungseinheit während einer Variation des Abstandes zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit konstant bleibt, insbesondere dass die Gebereinheit und die Signalerfassungseinheit auch bei einer Variation des Abstandes parallel zueinander ausgerichtet bleiben. Eine konstante relative Ausrichtung, insbesondere eine konstante parallele Ausrichtung, von Gebereinheit und Signalerfassungseinheit ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders präzise Bestimmung der äußeren Krafteinwirkung aus der Variation des Abstandes. Hierdurch wird die Erfassung unterschiedlicher Betriebszustände erleichtert, welche beispielsweise eine Beladung des Läufers mit Nutzlasten unterschiedlichen Gewichts umfassen können.
Ein Antrieb weist ein Positionserfassungssystem, einen längs eines Pfades beweglichen Läufer und ein den Läufer längs des Pfades führendes Führungssystem auf und ist als Linearmotor ausgebildet. Des Weiteren umfasst der Antrieb eine längs des Pfades angeordnete Antriebsvorrichtung, wobei die Antriebsvorrichtung ihrerseits eine Mehrzahl von längs des Pfades angeordneten Antriebsspulen umfasst. Weiterhin weist der Läufer einen Antriebsmagneten auf und die Antriebsspulen sind dazu ausgebildet, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches mit dem Antriebsmagneten des Läufers zur Erzeugung einer Antriebskraft zusammenwirkt.
Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Positionserfassungssystems in einem als Linearmotor ausgebildeten Antrieb ermöglicht es vorteilhafterweise, den Betriebszustand des Antriebs auf einfache Art und Weise zu überwachen. Insbesondere werden zur Überwachung des Betriebszustandes keine zusätzlichen Komponenten wie Sensoren oder Datenübertragungseinrichtungen benötigt. Ein Antrieb mit einem erfindungsgemäßen Positionserfassungssystem kann beispielsweise während des Betriebs hinsichtlich Störungen der Bewegung des Läufers oder einer Beladung des Läufers überwacht werden.
Beispielsweise können die Gebereinheit des Positionserfassungssystems an dem Läufer und die Signalerfassungseinheit ortsfest entlang des Führungssystems angeordnet sein. In solch einem Fall können alle Komponenten des Antriebs, welche für den Betrieb des Antriebs elektrisch kontaktiert werden müssen, insbesondere die Antriebsspulen und die Signalerfassungseinheit, ortsfest entlang des Führungssystems angeordnet werden. Dies ermöglicht es, den Läufer passiv, das heißt ohne aktive elektrische oder elektronische Komponenten auszubilden.
Ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebszustandes eines Antriebs mit einem längs eines Pfades beweglichen Läufer umfasst als einen Schritt ein Erzeugen eines ersten Positionssignals und eines zweiten Positionssignals durch eine Signalverarbeitungseinrichtung eines Positionserfassungssystems auf Grundlage einer relativen Lage einer Gebereinheit des Positionserfassungssystems und einer Signalerfassungseinheit des Positionserfassungssystems. Als weiteren Schritt umfasst das Verfahren ein Bestimmen eines quer zu dem Pfad gerichteten Abstands zwischen der Gebereinheit und der Signalerfassungseinheit aus Amplitudenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals durch die Signalverarbeitungseinrichtung. Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein Ermitteln eines Betriebszustandes des Antriebs aus dem Abstand.
Indem der Betriebszustand des Antriebs aus dem Abstand zwischen Gerbereinheit und Signalerfassungseinheit ermittelt wird, kann der Betriebszustand des Antriebs auf einfache Art und Weise mittels der Positionssignale des Positionserfassungssystems überwacht werden. Insbesondere werden zur Ausführungen des Verfahrens vorteilhafterweise keine zusätzlichen Sensoren an dem Läufer oder längs des Pfades benötigt und der Gesamtaufbau des Antriebs kann verhältnismäßig einfach gehalten werden. Zudem ist eine Bestimmung des Betriebszustandes aus den Positionssignalen vorteilhafterweise auch während einer Bewegung des Läufers möglich. Dadurch kann im Rahmen der Überwachung des Betriebszustandes auch ein Vorhandensein oder ein Gewicht einer von dem Läufer beförderten Nutzlast bestimmt oder ein Verlust der Nutzlast während der Beförderung erkannt werden. Wird eine Längsposition des Läufers entlang des Pfades ebenso wie der Abstand zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit aus dem ersten und dem zweiten Positionssignal ermittelt, können der Abstand und die Längsposition zur Bestimmung des Betriebszustandes auf vorteilhaft einfache Weise miteinander korreliert werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Ermitteln des Betriebszustandes des Antriebs ein Bestimmen einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer Variation des Abstandes.
Eine Bestimmung der Frequenz und/oder Amplitude der Variation des Abstands erlaubt es vorteilhafterweise, auf einfache Art und Weise Rückschlüsse auf die Ursache der Störung der Bewegung und damit den Betriebszustand des Antriebs zu ziehen. Beispielsweise deuten Abstandsvariationen, welche sich nach jeweils einer Umdrehung einer Rolle eines als Rollenanordnung ausgebildeten Lagerelements des Schlittens wiederholen, auf einen Defekt an zumindest einer der Rollen oder an einem Rollenlager hin. Abstandsvariationen, welche sich jeweils nach einem Umlauf des Läufers um einen in sich geschlossenen Pfad wiederholen, deuten dagegen auf einen lokalen Defekt des Führungssystems hin. Auf diese Weise können auf vorteilhaft einfache Weise Defekte, insbesondere Verschleißerscheinungen, des Antriebs detektiert und analysiert werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Ermitteln des Betriebszustandes des Antriebs ein Detektieren einer äußeren Krafteinwirkung auf die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit. Dadurch können vorteilhafterweise über das Positionserfassungssystem Betriebszustände des Antriebs überwacht werden, welche eine Beladung des Läufers mit einer Nutzlast umfassen. Beispielsweise kann ein Gewicht der Nutzlast zur Ermittlung des Betriebszustandes herangezogen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
1 eine räumliche Ansicht eines ersten Antriebs mit einem Positionserfassungssystem;
2 eine Ansicht des Positionserfassungssystems mit einer Gebereinheit und einer ersten Signalerfassungseinheit;
3 eine Ansicht einer Leiterplatte der Signalerfassungseinheit mit einer Empfängerspule und einer Erregerspule;
4 eine Schnittansicht eines zweiten Antriebs mit einem Positionserfassungssystem;
5 eine Schnittansicht eines dritten Antriebs mit einem Positionserfassungssystem;
6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des dritten Antriebs;
7 eine Queransicht eines vierten Antriebs mit einem Positionserfassungssystem in unbeladenem Zustand; und
8 eine Queransicht des vierten Antriebs in beladenem Zustand.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Antriebs 1. Der erste Antrieb 1 umfasst einen entlang eines Pfades 4 beweglichen Läufer 20 und eine entlang des Pfades 4 angeordnete Trägereinheit 10. Der Läufer 20 wird von einem in 1 nicht dargestellten Führungssystem entlang des Pfades 4 geführt. Ein derartiges Führungssystem kann beispielsweise entlang der Trägereinheit 10 angeordnete und an dieser befestigte Führungsschienen und an dem Läufer 20 befestigte Rollenanordnungen aufweisen. Die Rollen der Rollenanordnungen können dazu ausgebildet sein, auf Laufflächen der Führungsschienen abzurollen. Der Antrieb 1 kann jedoch auch ein Führungssystem aufweisen, welches dazu ausgebildet ist, den Läufer 20 fluidgelagert, gleitgelagert, gasgelagert, insbesondere luftgelagert, oder magnetisch gelagert entlang des Pfades 4 zu führen.
In 1 ist die Trägereinheit 10 als gerades Pfadsegment dargestellt. Der erste Antrieb 1 kann jedoch auch dazu ausgebildet sein, dass der Pfad 4 eine Krümmung aufweist oder in sich geschlossen ausgeführt ist. Hierzu können beispielsweise sowohl gerade, als auch gebogene oder gekrümmte Trägereinheiten entlang des Pfades 4 angeordnet sein. Diese Trägereinheiten können beispielsweise im Wesentlichen nahtlos aneinander anschließend angeordnet sein und beispielsweise gebogene oder gekrümmte Führungsschienen tragen. Solche Trägereinheiten können auch als Trägermodule oder Antriebsmodule bezeichnet werden.
Der Antrieb 1 umfasst außerdem ein Positionserfassungssystem 100, welches dazu ausgebildet ist, eine Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 und damit entlang der Trägereinheit 10 zu bestimmen. Das Positionserfassungssystem 100 umfasst eine längs des Pfades 4 angeordnete Signalerfassungseinheit 120, eine an dem Läufer 20 angeordnete Gebereinheit 110 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 30. Die Signalverarbeitungseinrichtung 30 ist über eine Datenverbindung 40 an die erste Signalerfassungseinheit 120 angeschlossen. Bei der Datenverbindung 40 kann es sich beispielsweise um eine Netzwerkverbindung, insbesondere um eine Ethernet-Verbindung handeln. Die Datenverbindung 40 kann aber auch auf einer anderen Datenübertragungstechnik basieren, beispielsweise als Funkverbindung ausgebildet sein.
Die Gebereinheit 110 ist derart an dem Läufer 20 angeordnet, dass die Gebereinheit 110 in einer Querrichtung 3, welche quer zum Pfad 4 und damit senkrecht gegenüber einer durch den Pfad 4 bzw. die Bewegungsrichtung des Läufers 20 definierten Längsrichtung 2 ausgerichtet ist, einen Abstand 101 zu der Signalerfassungseinheit 120 aufweist. Damit sind die Signalerfassungseinheit 120 und die Gebereinheit 110 durch einen Luftspalt getrennt, dessen Breite dem Abstand 101 entspricht. Bei einer Bewegung des Läufers 20 entlang des Pfades 4 wird die an dem Läufer 20 befestigte Gebereinheit 110 mitbewegt und läuft im Wesentlichen im Abstand 101 an der Signalerfassungseinheit 120 entlang.
Die Gebereinheit 110 kann beispielsweise eine Trägerplatte, beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Metall, umfassen. In solch einem Fall kann die Gebereinheit 110, wie in 1 dargestellt, in der Querrichtung 3 eine deutlich geringere Ausdehnung als in der Längsrichtung 2 aufweisen. Des Weiteren kann die Gebereinheit 110 ein Geberelement umfassen, welches auf der Trägerplatte angeordnet sein kann und mit der ersten Signalerfassungseinheit 120 zusammenwirkt, um Positionssignale zur Bestimmung einer Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 zu erzeugen.
Die Signalerfassungseinheit 120 erstreckt sich in Längsrichtung 2 entlang des Pfades 4 im Wesentlichen über den gesamten Verfahrweg des Läufers 20 auf der Trägereinheit 10. Dadurch kann die Signalerfassungseinheit 120 über den gesamten Verfahrweg mit der Gebereinheit 110 zusammenwirken und es können über den gesamten Verfahrweg Positionssignale auf Grundlage der Längsposition des Läufers 20 auf dem Pfad 4 erzeugt werden.
Zur Erzeugung der Positionssignale überträgt die Signalerfassungseinheit 120 Positionsdaten beispielsweise in Form von Spannungswerten, insbesondere von Differenzspannungswerten, über die Datenverbindung 40 an die Signalverarbeitungseinrichtung 30. Die Signalverarbeitungseinrichtung 30 erzeugt auf Grundlage der Positionsdaten dann die Positionssignale.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 30 erzeugt zur Bestimmung der Längsposition des Läufers 20 zumindest ein erstes und ein zweites Positionssignal. Das erste und das zweite Positionssignal variieren bei einer Verlagerung des Läufers 20 entlang des Pfades 4 jeweils periodisch. Das erste Positionssignal kann durch einen ersten Phasenwert und einen ersten Amplitudenwert und das zweite Positionssignal durch einen zweiten Amplitudenwert und einen zweiten Phasenwert beschrieben werden. Beispielsweise können das erste und das zweite Positionssignal bei einer Bewegung des Läufers 20 entlang des Pfades 4 eine harmonische Schwingung, eine Rechteck-, eine Dreieck- oder eine Sägezahnschwingung ausführen.
Das erste Positionserfassungssystem 100 ist dabei derart ausgestaltet, dass eine Verlagerung des Läufers 20 entlang des Pfades 4 im Wesentlichen eine Änderung des ersten und des zweiten Phasenwertes, nicht jedoch eine Änderung des ersten und des zweiten Amplitudenwertes bewirkt. Insbesondere können Änderungen des ersten und des zweiten Phasenwertes jeweils im Wesentlichen proportional zu einer durch den Läufer 20 entlang des Pfades zurückgelegten Strecke sein. Des Weiteren ist das Positionserfassungssystem 100 dazu ausgebildet, dass eine Änderung des Abstandes 101 zwischen Gebereinheit 110 und erster Signalerfassungseinheit 120 im Wesentlichen eine Änderung des ersten und des zweiten Amplitudenwertes bewirkt, nicht jedoch eine Änderung des ersten und des zweiten Phasenwertes.
Falls die Phasenwerte des ersten und des zweiten Positionssignals im Wesentlichen lediglich von der Längsposition des Läufers 20 und die Amplitudenwerde des ersten und des zweiten Positionssignals im Wesentlichen lediglich von dem Abstand 101 zwischen Gebereinheit 110 und erster Signalerfassungseinheit 120 abhängen, können die Längsposition des Läufers 20 und der Abstand 101 unabhängig voneinander bestimmt werden.
Eine unabhängige Bestimmung von Abstand 101 und Längsposition ist insbesondere dann auf einfache Art und Weise möglich, wenn das erste und das zweite Positionssignal bei einer Verlagerung des Läufers 20 entlang des Pfades jeweils eine harmonische Schwingung mit gleicher Periode bzw. Frequenz und einem konstanten gegenseitigen Phasenversatz von 90° ausführen. In solch einem Fall kann eines der Positionssignale, beispielsweise das erste Positionssignal, auch als Sinuspositionssignal und das andere, beispielsweise das zweite Positionssignal, als Cosinuspositionssignal bezeichnet werden.
Der Verlauf des ersten Positionssignals kann dann durch eine Sinusfunktion und der Verlauf des zweiten Positionssignals durch eine Cosinusfunktion beschrieben werden. Die Sinusfunktion und die Cosinusfunktion weisen dabei einen gemeinsamen Phasenwert, das heißt das gleiche Argument auf, beispielsweise den Phasenwert des ersten Positionssignals. Die Längsposition des Läufers 20 kann dann aus dem Verhältnis aus Sinuspositionssignal zu Cosinuspositionssignal bestimmt werden, da dieses Verhältnis proportional zum Tangens des gemeinsamen Phasenwerts bzw. des Arguments von Sinusfunktion und Cosinusfunktion ist. Insbesondere beeinflusst eine Änderung des Abstandes 101 bzw. eine daraus folgende Änderung des ersten und des zweiten Amplitudenwertes nicht die Bestimmung der Längsposition.
Die Amplituden des Sinuspositionssignals und des Cosinuspositionssignals hängen von dem Abstand 101 zwischen Gebereinheit 110 und Signalerfassungseinheit 120 ab. Der Abstand 101 zwischen Gebereinheit 110 und erster Signalerfassungseinheit 120 kann besonders einfach aus der Summe des Betragsquadrats des Sinuspositionssignals und des Betragsquadrats des Cosinuspositionssignals, also der Quadratsumme des Sinuspositionssignals und des Cosinuspositionssignals bestimmt werden. Da sich die Quadrate der Sinus- und der Cosinusfunktion zu Eins addieren, entspricht die Quadratsumme des Sinuspositionssignals und des Cosinuspositionssignal dem Quadrat der Amplituden des Sinusund des Cosinuspositionssignals. Insbesondere ist die Quadratsumme der beiden Signale unabhängig von dem gemeinsamen Phasenwert bzw. der Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 und damit bei konstantem Abstand 101 konstant über den gesamten Verfahrweg des Läufers 20.
Bei dem ersten Positionserfassungssystem 100 ist die erste Signalerfassungseinheit 120 dazu ausgebildet, die Positionsdaten über die Datenverbindung 40 an die Signalverarbeitungseinrichtung 30 des ersten Positionserfassungssystems zu übertragen. Die Signalverarbeitungseinrichtung 30 wiederum ist dazu ausgebildet, aus den empfangenen Positionsdaten die Positionssignale und aus diesen die Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 und den Abstand 101 zu bestimmen. Allerdings können Module der Signalverarbeitungseinrichtung, welche die Bestimmung der Längsposition des Läufers und/oder die Bestimmung des Abstandes 101 ausführen, auch in der ersten Signalerfassungseinheit angeordnet sein. In diesem Fall wird von der Signalerfassungseinheit 120 lediglich die ermittelte Längsposition und der bestimmte Abstand 101 an andere Systeme des Antriebs 1 übermittelt.
Das erste Positionserfassungssystem 100 kann auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien zur Erzeugung des ersten und des zweiten Positionssignals basieren. Handelt es sich bei dem ersten Positionserfassungssystem 100 um ein magnetisches Positionserfassungssystem, kann die Gebereinheit 110 beispielsweise Geberelemente umfassen, die als Permanentmagnete ausgebildet sind. Beispielsweise kann die Gebereinheit 110 mehrere benachbart angeordnete Permanentmagnete wechselnder Polarität aufweisen. Bei einem magnetischen Positionserfassungssystem können in der ersten Signalerfassungseinheit 120 Hall-Sensoren oder magnetoresistive Elemente in Längsrichtung 2 entlang des Pfades 4 angeordnet sein. Die Hall-Sensoren oder magnetoresistiven Elemente können dazu ausgebildet sein, das Magnetfeld der Geberelemente der Gebereinheit zu detektieren, und aus den Messwerten die Positionssignale bzw. die Positionsdaten zu erzeugen.
Ist das erste Positionserfassungssystem 100 als optisches Positionserfassungssystem ausgebildet, kann die Gebereinheit 110 als Geberelement eine Lichtquelle, beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, und die erste Signalerfassungseinheit 120 entlang des Pfades 4 angeordnete Photodetektoren umfassen. Die Photodetektoren können dabei das von der Lichtquelle ausgesendet Licht detektieren und basierend auf der empfangenen Lichtintensität die Positionssignale erzeugen. Alternativ können sowohl Lichtquellen, als auch Photodetektoren einander gegenüberliegend an der ersten Signalerfassungseinheit 120 angeordnet und die Gebereinheit 110 dazu ausgebildet sein, die Photodektoren bei einem Vorbeigang des Läufers zur Erzeugung des Positionssignals mittels Geberelementen von den Lichtquellen abzuschatten.
Handelt es sich bei dem ersten Positionserfassungssystem 100 um ein induktives Positionserfassungssystem, können die Gebereinheit 110 und die erste Signalerfassungseinheit 120 ausgebildet sein, wie es in 2 skizziert ist. Die dargestellte Ausführung entspricht dabei weitestgehend dem in der Offenlegungsschrift DE102012204917A1 offenbarten Positionserfassungssystem.
Die erste Signalerfassungseinheit 120 umfasst eine Erregerspule 121, welche im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist und sich entlang des Pfades 4 erstreckt. Innerhalb der Erregerspule 121 sind ein erstes Empfangsspulenpaar 131, ein zweites Empfangsspulenpaar 132, ein drittes Empfangsspulenpaar 133 und ein viertes Empfangsspulenpaar der ersten Signalerfassungseinheit 120 angeordnet. Die Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 umfassen jeweils eine Sinusempfängerspule 122 und eine Cosinusempfängerspule 123, welche in 2 vereinfacht als sinusförmige bzw. cosinusförmige Linien dargestellt sind.
Die erste Erregerspule 121, die Sinusempfängerspulen 122 und die Cosinusempfängerspulen 123 sind parallel zueinander angeordnet, das heißt, dass die von den Spulen 121, 122, 123 umschlossenen Flächen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Erregerspule 121, die Sinusempfängerspulen 122 und die Cosinusempfängerspulen 123 können beispielsweise als metallische Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder einem anderen geeigneten isolierenden Substrat ausgeführt sein. Dabei können die Erregerspule 121, die Sinusempfängerspulen 122 und die Cosinusempfängerspulen 123 auch mehrere benachbarte und parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen umfassen.
Aus Signalen der Sinusempfängerspulen 122 der Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 wird das erste Positionssignal, bzw. das Sinuspositionssignal erzeugt, während aus Signalen der Cosinusempfängerspulen 123 der Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 das zweite Positionssignal, bzw. das Cosinuspositionssignal erzeugt wird.
Soweit im Folgenden keine Unterscheide beschrieben werden, sind die Sinusempfängerspulen 122 und die Cosinusempfängerspulen 123 identisch ausgebildet. Insbesondere weisen die Sinusempfängerspulen 122 und die Cosinusempfängerspulen 123 eine periodische Geometrie auf und sind derart auf der Signalerfassungseinheit 120 angeordnet, dass sich ein sinusförmiges Grundelement 124, welches eine Periode 125 der Geometrie der Sinusempfängerspulen 122 und der Cosinusempfängerspulen 123 definiert, entlang des Pfades 4 periodisch wiederholt. Sowohl die einzelnen Sinusempfängerspulen 122, wie die einzelnen Cosinusempfängerspulen 123 umfassen jeweils drei der Grundelemente 124. Die Sinusempfängerspulen 122 der einzelnen Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 sind jeweils im Wesentlichen aneinander anschließend angeordnet, ebenso sind die Cosinusempfängerspulen 123 der einzelnen Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 jeweils im Wesentlichen aneinander anschließend angeordnet. Des Weiteren sind die Cosinusempfängerspulen 123 mit einem räumlichen Phasenversatz 126 gegenüber den Sinusempfängerspulen 122 angeordnet, welcher einem Viertel der Periode 125 entspricht.
Die genaue Ausgestaltung der Sinusempfängerspulen 122 und der Cosinusempfängerspulen 123 ist in 3 anhand einer einperiodischen Empfängerspule 222 dargestellt, welche wie die Sinusempfängerspulen 122 und die Cosinusempfängerspulen 123 ausgebildet ist, jedoch lediglich ein einzelnes der Grundelemente 124 umfasst. Die einperiodische Empfängerspule 222 weist einen sinusförmigen positiven Spulenabschnitt 223 und einen ebenfalls sinusförmigen negativen Spulenabschnitt 224 auf und ist auf einer Leiterplatte 230 angeordnet. Die Leiterplatte umfasst ein geeignetes, elektrisch isolierendes Substrat, beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff, und an diesem Substrat angeordnete elektrisch leitende Leiterbahnen, welche beispielsweise Kupfer aufweisen können.
Der positive und der negative Spulenabschnitt 223, 224 sind jeweils an einem ersten Ende durch einen gemeinsamen Kontaktpunkt 231 miteinander verbunden und ansonsten elektrisch isoliert voneinander ausgeführt. Beispielsweise können der positive und der negative Spulenabschnitt 223, 224 als elektrische leitende Leiterbahnen auf unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte 230 und der Kontaktpunkt 231 als Durchkontaktierung der Leiterplatte 230 ausgebildet sein.
Der erste Kontaktpunkt liegt an einer ersten Seite 127 des Grundelements 124. Der negative Spulenabschnitt 224 verläuft von dem Kontaktpunkt 231 aus gegenphasig zu dem positiven Spulenabschnitt 223. In einer Entfernung von dem Kontaktpunkt 231, die der Hälfte der Periode 125 entspricht, also in der Mitte des Grundelements 124, kreuzen sich der positive und der negative Spulenabschnitt 223, 224. Nach einer weiteren Hälfte der Periode 125, also an einer der ersten Seite 127 gegenüberliegenden zweiten Seite 128 des Grundelements 124, enden der positive Spulenabschnitt 223 und der negative Spulenabschnitt 224 jeweils an einem zweiten Ende und kontaktieren eine positive Signalerfassungsleitung 228 bzw. eine negative Signalerfassungsleitung 229.
Insgesamt bilden der positive und der negative Spulenabschnitt 223, 224 eine sinusförmige Flächenumrandung 225 aus. Die sinusförmige Flächenumrandung 225 umschließt innerhalb einer ersten Halbperiode 234 der Periode 125 eine erste Erfassungsfläche 226. Innerhalb einer zweiten Halbperiode 235 der Periode 125 umschließt die sinusförmige Flächenumrandung 225 eine zweite Erfassungsfläche 227.
Bei Empfängerspulen, die, wie die Empfängerspulen 122, 123 des ersten Positionserfassungssystems, mehr als ein Grundelement 124 umfassen, enden die positive Signalerfassungsleitung und die negative Signalerfassungsleitung nicht nach einer Stecke, die der Periode 125 entspricht. Vielmehr werden die positive Signalerfassungsleitung und die negative Signalerfassungsleitung für eine weitere ganzzahlige Anzahl von Perioden 125 sinusförmig weitergeführt, ehe sie die positive bzw. die negative Signalerfassungsleitung 228, 229 kontaktieren.
Neben der einperiodischen Empfängerspule 222 ist in 2 eine zweite Erregerspule 221 dargestellt, welche, soweit im Folgenden keine Unterschiede beschrieben werden, ausgebildet ist wie die erste Erregerspule 121. Die zweite Erregerspule 221 kann wie die einperiodische Empfängerspule 222 ebenfalls auf der Leiterplatte 230 angeordnet und als metallische Leiterbahn ausgebildet sein. Die zweite Erregerspule 221 ist rechteckig ausgebildet und umgibt die einperiodische Empfängerspule 222.
Das Messprinzip des ersten Positionserfassungssystems 100 soll im Folgenden anhand der in 3 gezeigten Anordnung aus einperiodischer Empfängerspule 222 und zweiter Erregerspule 221 kurz erläutert werden. Ein Stromfluss in der zweiten Erregerspule 221 erzeugt ein Magnetfeld, welches senkrecht zur Flächennormalen der Leiterplatte 230, also auch senkrecht zu den Flächennormalen der ersten Erfassungsfläche 226 bzw. der zweiten Erfassungsfläche 227 orientiert ist. Die erste Erfassungsfläche 226 und die zweite Erfassungsfläche 227 werden jeweils von der durch den positiven und negativen Spulenabschnitt 223, 224 gebildeten Flächenumrandung 225 in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Weiterhin sind die erste Erfassungsfläche 226 und die zweite Erfassungsfläche 227 gleich groß. Daher kompensieren sich in der ersten und der zweiten Erfassungsfläche 226, 227 induzierte Ströme gegenseitig und eine zwischen der positiven Signalerfassungsleitung 228 und der negativen Signalerfassungsleitung 229 abgegriffenen Differenzspannung beträgt näherungsweise null. Wird nun das Magnetfeld im Bereich einer der Erfassungsfläche 226, 227 gestört, so heben sich die induzierten Ströme nicht mehr auf und die Differenzspannung weist einen von Null verschiedenen Wert auf.
Um dieses Prinzip zur Positionserfassung zu nutzen, umfasst die Gebereinheit 110 des ersten Positionserfassungssystems 100 als Geberelemente sechs Bedämpfungselemente 111, wie sie in 2 dargestellt sind. Diese Bedämpfungselemente 111 können beispielsweise als metallische Streifen auf einer Leiterplatte der Gebereinheit 110 ausgebildet sein. Befindet sich die Gebereinheit 110 über einer der Empfangsspulen 122, 123, so stören die Bedämpfungselemente 111 ein von einem Stromfluss durch die erste Erregerspule 121 erzeugtes Magnetfeld und es fällt eine von null verschiedene Differenzspannung an den Signalerfassungsleitungen 228, 229 der entsprechenden Empfangsspulen 122, 123 ab.
Wie in 2 dargestellt, weisen die Bedämpfungselemente 111 in Längsrichtung 2 eine Breite 114 auf, welche der Hälfte der Periode 125 entspricht, während sie in Längsrichtung 2 eine Entfernung 112 voneinander aufweisen, die ebenfalls der Hälfte der Periode 125 entspricht. Dies hat zur Folge, dass die an den Signalerfassungsleitungen 228, 229 der Sinusempfängerspulen 122 und der Cosinusempfängerspulen 123 abgegriffenen Differenzspannungen bei einer Bewegung der Gebereinheit 110 in Längsrichtung 2 entlang der Signalerfassungseinheit 120 eine harmonische Schwingung ausführt. Dabei ist die Differenzspannung, die an der Cosinusempfängerspulen 123 eines der Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 abgegriffen wird, jeweils um 90° phasenverschoben zu der Differenzspannung, die an der Sinusempfängerspule 122 des entsprechenden Empfangsspulenpaares abgegriffen wird.
Die Differenzspannungen, die an den Sinusempfängerspulen 122 und den Cosinusempfängerspulen 123 der Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 abgegriffen werden, bilden die Positionsdaten, die von der ersten Signalerfassungseinheit 120 an die Signalverarbeitungseinrichtung 30 übertragen werden. Die Signalverarbeitungseinrichtung 30 erzeugt das erste Positionssignal, welches auch als Sinuspositionssignal bezeichnet werden kann, aus den Differenzspannungen der Sinusempfängerspulen 122. Aus den Differenzspannungen der Cosinusempfängerspulen 123 bildet die Signalverarbeitungseinrichtung 30 das zweite Positionssignal, welches auch als Cosinuspositionssignal bezeichnet werden kann.
Zur Erzeugung des ersten und des zweiten Positionssignals werden die Differenzspannungen durch die Signalerfassungseinheit 120 abgetastet und digitalisiert. Die digitalisierten Werte der Differenzspannungen werden als Positionsdaten über die Datenverbindung 40 an die Signalverarbeitungseinrichtung 30 übertragen, welche aus den Differenzspannungen das erste und das zweite Positionssignal erzeugt. Alternativ kann ein Modul der Signalverarbeitungseinrichtung 30, welches die Positionssignale erzeugt, auch an dem Träger angeordnet sein, so dass nur noch das erste und das zweite Positionssignal über die Datenverbindung 40 übertragen werden. Bei dem Modul kann es sich um ein Hardware- und/oder um ein Softwaremodul handeln.
Da das erste Positionssignal und das zweite Positionssignal jeweils harmonische Schwingungen ausführen und einen Phasenversatz von 90° aufweisen, kann der Verlauf des ersten Positionssignal durch eine Sinusfunktion und der Verlauf des zweiten Positionssignals durch eine Cosinusfunktion mit einem gemeinsamen Phasenwert, bzw. einem gemeinsamen Argument, beschrieben werden. Das erste Positionserfassungssystem 100 ist derart ausgestaltet, dass ein erster Amplitudenwert des ersten Positionssignals und ein zweiter Amplitudenwert des zweiten Positionssignals gleich groß sind. Insbesondere sind die von den Flächenumrandungen der Sinusempfängerspulen 122 und der Cosinusempfängerspulen 123 umrandeten Erfassungsflächen gleich groß.
Bewegt sich der Läufer 20 und mit ihm die Gebereinheit 110 entlang des Pfades, so ist die dadurch verursachte Änderung des Phasenwerts des ersten und des zweiten Positionssignals proportional zu der von dem Läufer 20 zurückgelegten Wegstrecke. Die Größe des Amplitudenwerts des ersten und des zweiten Positionssignals hängt in erster Linie von der Größe der Störung des Magnetfeldes der ersten Erregerspule durch die Bedämpfungselemente 111 ab. Insofern wird der Amplitudenwert des ersten und des zweiten Positionssignals durch den Abstand 101 zwischen Gebereinheit 110 und Signalerfassungseinheit 120 beeinflusst, nicht jedoch von der Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4.
Die Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 kann besonders einfach aus dem Verhältnis des ersten Positionssignals zu dem zweiten Positionssignal bestimmt werden, da dieses Verhältnis proportional zum Tangens des Phasenwertes bzw. des Arguments der Sinusfunktion und der Cosinusfunktion ist, welche das erste bzw. das zweite Positionssignal beschreiben. Die Amplitudenwerte des ersten und des zweiten Positionssignals gehen dabei in die Bestimmung der Längsposition des Läufers 20 nicht mit ein.
Der Abstand 101 zwischen der Gebereinheit 110 und der Signalerfassungseinheit 120 kann aus der Summe der Betragsquadrate des ersten und des zweiten Positionssignals oder anders ausgedrückt aus der Quadratsumme aus dem ersten und dem zweiten Positionssignals bestimmt werden. Die Quadratsumme aus dem ersten und dem zweiten Positionssignal ist unabhängig von dem Phasenwert der Positionssignale bzw. der Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 und damit bei konstantem Abstand 101 konstant über den gesamten Verfahrweg des Läufers 20.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann zur Ermittlung des Abstandes 101 auch lediglich ein erstes und ein zweites Positionssignal verwendet werden, welches aus den Differenzspannungen lediglich eines der Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 erzeugt wurde. Beispielsweise kann bei einer Bewegung des Läufers entlang des Pfades 4 immer dasjenige der Empfangsspulenpaare 131, 132, 133, 134 zur Ermittlung des Abstandes 101 herangezogen werden, welches vollständig von der Gebereinheit 110 bzw. den Bedämpfungselementen 111 überdeckt ist.
Anstatt, wie in 1 dargestellt, die Gebereinheit 110 an dem Läufer 20 und die Signalerfassungseinheit 120 ortsfest längs des Pfades 4 anzuordnen, können die Signalerfassungseinheit auch an dem Läufer 20 und die Gebereinheit längs des Pfades 4 angeordnet sein. In einem solchen Falle kann die Signalerfassungseinheit kürzer ausgeführt sein, als in den 1 und 2 dargestellt, und beispielsweise nur ein Empfangsspulenpaar umfassen. Die Gebereinheit könnte in solch einem Falle länger als die in den 1 und 2 dargestellte Gebereinheit 110 und Bedämpfungselemente umfassen, welche entlang des gesamten Pfades 4 angeordnet sind. Bei einer dergestaltigen Ausführung des Positionserfassungssystems ist eine Signalübertragung von dem Läufer 20 an die Signalverarbeitungseinrichtung 30 notwendig, welche beispielsweise durch eine Verkabelung, welche bei einer Bewegung des Läufers mitgeführt wird, oder durch eine Funkverbindung realisiert werden kann.
Der Antrieb 1 kann auch mehr als den einen entlang des Pfades 4 beweglichen Läufer 20 umfassen. In diesem Falle umfasst das Positionserfassungssystem 100 mehrere Gebereinheiten, welche wie die Gebereinheit 110 ausgestaltet und jeweils an einem der mehreren Läufer angebracht sind. Dadurch kann das Positionserfassungssystem 100 für jeden der mehreren Läufer auf die gleiche Weise, wie es in Zusammenhang mit den 1, 2 und beschrieben wurde, ein erstes und ein zweites Positionssignal erzeugen.
Die Längsposition des Läufers 20 kann zur Steuerung oder zur Regelung der Position des Läufers 20 entlang des Pfades 4 verwendet werden. Hierzu können das erste und das zweite Positionssignal von der Signalverarbeitungseinrichtung 30 an eine übergeordnete Steuerung des Antriebs übertragen werden. Alternativ kann auch die Signalverarbeitungseinrichtung 30 die Längsposition des Läufers 20 aus dem ersten und dem zweiten Positionssignal ermitteln und die Längsposition an die übergeordnete Steuerung übertragen. Für die Steuerung oder Regelung der Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 wird der Abstand 101 zwischen Gebereinheit 110 und Signalerfassungseinheit 120 nicht verarbeitet. Die beschriebene Bestimmung der Längsposition aus dem Verhältnis des ersten Positionssignals zu dem zweiten Positionssignals stellt darüber hinaus sicher, dass der Abstand 101 keinen Einfluss auf den von dem ersten Positionserfassungssystem 100 bestimmten Wert der Längsposition des Läufers 20 entlang des Pfades 4 hat.
Der aus der Quadratsumme des ersten und des zweiten Positionssignals bestimmte Abstand 101 zwischen der Signalerfassungseinheit 120 und der an dem Läufer 20 angeordneten Gebereinheit 110 kann dazu verwendet werden, einen Betriebszustand des Antriebs 20 zu ermitteln. Der Betriebszustand kann dabei alle Zustände des Antriebs 1 umfassen, deren Änderung eine Auswirkung auf den Abstand 101 zwischen Gebereinheit 110 und Signalerfassungseinheit 120 hat. Dies können insbesondere Zustände des Läufer 20, wie eine Beladung des Läufers 20 mit einer Nutzlast, oder Zustände bzw. Störungen des den Läufer 20 entlang des Pfades 4 führenden Führungssystems sein. Beispielsweise kann das Führungssystem einen Defekt an einer Rolle oder einer Führungsschiene aufweisen, durch welchen die Bewegung des Läufers 20 gestört wird und dieser in der Bewegung kurzzeitig in der Querrichtung 3 versetzt wird.
Die Ausgestaltung des ersten Positionserfassungssystems 100 als induktives Positionserfassungssystem mit an dem Läufer angeordneter Gebereinheit 110 erlaubt insbesondere eine berührungslose Bestimmung der Längsposition des Läufers 20 und des Abstandes 101. Es wird keine Datenverbindung zwischen dem Läufer 20 und der Signalverarbeitungseinrichtung 30 benötigt. Auch kann der Läufer 20 elektrisch passiv ausgeführt werden, so dass keine aktiven elektronischen Bauelemente auf dem Läufer 20 angeordnet werden müssen, welche mit einer elektrischen Versorgungsspannung versorgt werden müssten.
Die Signalverarbeitungseinrichtung des Positionserfassungssystems kann auch modular ausgebildet sein. In solch einem Fall können Hardware- oder Softwaremodule, welche von der Signalverarbeitungseinrichtung 30 ausgeführte Funktionen bereitstellen, dezentral an anderen Elementen oder Komponenten des ersten Antriebs 1 angeordnet bzw. in diese integriert sein. Beispielsweise können die Positionssignale bereits dezentral in der Signalerfassungseinheit 120 aus den Positionsdaten, beispielsweise den Differenzspannungen, erzeugt werden. Zusätzlich können auch der Abstand und/oder die Längsposition des Läufers dezentral in der Signalerfassungseinheit 120 bestimmt werden. Auch eine Ermittlung des Betriebszustandes kann beispielsweise dezentral in der Signalerfassungseinheit 120 erfolgen. Alternativ können einzelne oder alle dieser Funktionen auch in einer übergeordneten Steuerung des ersten Antriebs 1 ausgeführt werden, welche beispielsweise einen Industriecomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung umfassen kann.
In 4 ist eine Schnittansicht eines zweiten Antriebs 400 dargestellt, welcher, soweit sich im Folgenden keine Unterschiede ergeben, ausgeführt ist wie der erste Antrieb 1. Der zweite Antrieb 400 umfasst eine Trägereinheit 401 und einen Läufer 420. Soweit sich im Folgenden keine Unterschiede ergeben, sind die Trägereinheit 401 und der Läufer 420 ausgebildet wie die Trägereinheit 10 und der Läufer 20 des ersten Antriebs 1. Des Weiteren umfasst der zweite Antrieb 400 ein Positionserfassungssystem 410 mit einer Signalerfassungseinheit 411 und einer Gebereinheit 412. Soweit sich im Folgenden keine Unterscheide ergeben, sind das Positionserfassungssystem 410, die Signalerfassungseinheit 411 und die Gebereinheit 412 ausgebildet wie das Positionserfassungssystem 100, die Signalerfassungseinheit 120 bzw. die Gebereinheit 110 des ersten Antriebs 1.
Der Antrieb 400 umfasst ein Führungssystem, welches dazu ausgebildet ist, den Läufer 420 entlang eines Pfades, welcher in 4 senkrecht zur Bildebene verläuft, zu führen. Das Führungssystem umfasst zwei an einem Läuferkörper 425 des Läufers 420 angebrachte Rollen 421 und eine an der Trägereinheit 401 ausgebildete Lauffläche 402. Die Rollen 421 des Läufers 420 rollen auf der Lauffläche 402 der Trägereinheit 401 ab, so dass der Läufer 420 entlang des Pfades beweglich ist.
Der Läufer 420 ist dazu ausgebildet, eine Nutzlast 403 zu befördern. Hierzu verfügt der Läufer 420 über eine Lastaufnahmevorrichtung 424, welche dazu ausgebildet ist, die Nutzlast 403 aufzunehmen und/oder während der Beförderung durch den Läufer 420 zu fixieren. Die Lastaufnahmevorrichtung 424 kann beispielsweise als eine Schale oder eine Trägerplatte ausgebildet sein, in bzw. auf der die Nutzlast angeordnet werden kann.
Die Gebereinheit 412 des Positionserfassungssystems 410 des zweiten Antriebs 400 ist seitlich an dem Läuferkörper 425 angebracht und im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Die Signalerfassungseinheit 411 ist der Gebereinheit 412 gegenüberliegend und ebenfalls horizontal ausgerichtet an der Trägereinheit 401 angeordnet. Die horizontale Ausrichtung der Signalerfassungseinheit 411 hat zur Folge, dass die Flächennormalen der in 4 nicht dargestellten Erfassungsflächen der Signalerfassungseinheit 411 vertikal ausgerichtet sind. Die quer zu dem Pfad orientierte Querrichtung 3, in der ein Abstand 406 zwischen Gebereinheit 412 und Signalerfassungseinheit 411 ermittelt wird, ist ebenfalls vertikal ausgerichtet. Insbesondere sind der Abstand 406 und die Querrichtung 3 bei dem in 4 dargestellten Antrieb 400 parallel zu einer Gewichtskraft 405 der Nutzlast 403 orientiert.
Bei der Beschreibung diese und aller weiteren Ausführungsbeispiele der Erfindung wird im Folgenden angenommen, dass eine vertikale Richtung diejenige Richtung ist, in welcher die Schwerkraft auf die Komponenten des Antriebs bzw. des Positionserfassungssystems wirkt, und eine horizontale Richtung senkrecht zu der vertikalen Richtung orientiert ist.
Die Lastaufnahmevorrichtung 424 ist über eine Mechanikeinheit 430 an dem Läuferkörper 425 des Läufers 420 befestigt. Die Mechanikeinheit 430 ist dazu ausgebildet, die Gewichtskraft 405 der Nutzlast 403 derart auf die Gebereinheit 412 zu übertragen, dass sich der Abstand 406 zwischen der Gebereinheit 412 und der Signalerfassungseinheit 413 unter dem Einfluss einer durch die Gewichtskraft 405 erzeugten äußeren Krafteinwirkung 404 verändert oder, konkreter gesagt, verringert.
Die Mechanikeinheit 430 umfasst ein Tragelement 431, eine Tragelementhalterung 432 und ein Stützelement 434. Die Tragelementhalterung 432 ist an dem Läuferkörper 425 angeordnet und im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. Das Tragelement 431 kann beispielsweise eine Platte oder ein Trägerarm sein. Das Tragelement 431 ist im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und an einer Seite über eine drehbare Verbindung 433 an einem oberen, von dem Läuferkörper 425 entfernten Ende der Tragelementhalterung 432 befestigt. An einer gegenüberliegenden Seite des Tragelements 431 ist das Stützelement 434 an dem Tragelement 431 angebracht. Mit dem Stützelement 434 stützt sich das Tragelement 431 nach unten, also in vertikaler Richtung auf der Gebereinheit 412 ab. Die Lastaufnahmevorrichtung 424 ist an einer dem Läuferkörper 425 gegenüberliegenden oberen Seite des Tragelements 431 angebracht.
Die durch die Gewichtskraft 405 der Nutzlast 403 ausgeübte Krafteinwirkung 404 auf die Lastaufnahmevorrichtung 424 des Läufers 420 bewirkt eine Drehung des Tragelements 431 um die drehbare Verbindung 433, so dass das Stützelement 434 nach unten bewegt wird und auf die Gebereinheit 412 drückt, so dass auf diese eine äußere Krafteinwirkung 404 ausgeübt wird. Die Gebereinheit 412 weist einen elastischen Teil auf. Beispielsweise kann eine Leiterplatte 413, welche Bedämpfungselemente der Gebereinheit 412 trägt und über die die Bedämpfungselemente an dem Läufer 420 befestigt sind, teilweise oder vollständig elastisch ausgebildet sein. Die von der Mechanikeinheit 430 auf die Gebereinheit 412 ausgeübte äußere Krafteinwirkung 404 bewirkt dann eine elastische Verbiegung der Gebereinheit 412 in der Querrichtung 3 und der Abstand 406 zwischen der Gebereinheit 412 und der Signalerfassungseinheit 411 verringert sich.
Indem das Positionserfassungssystem 410 den Abstands 406 bestimmt, kann über den Abstand 406 ein Betriebszustand des Antriebs 400 ermittelt werden, welcher durch das Vorhandensein der Nutzlast 403 auf dem Läufer 420 definiert wird. Hierzu kann der Abstand 406 mit einem zuvor in unbeladenem Zustand bestimmten Referenzabstand verglichen werden. Wurde zuvor eine Kalibration des Zusammenhangs zwischen der Gewichtskraft 405 der Nutzlast 403 und dem Abstand 406 vorgenommen, können auch Betriebszustände ermittelt und unterscheiden werden, welche durch eine Beladung des Läufers mit Nutzlasten unterschiedlichen Gewichts definiert werden. Je nach Ausgestaltung der Mechanikeinheit 430, insbesondere abhängig von Abständen zwischen der drehbaren Verbindung 433 und der Lastaufnahmevorrichtung 424 einerseits bzw. dem Stützelement 434 andererseits, kann auch das Gewicht der Nutzlast 403 im Rahmen der Ermittlung des Betriebszustandes bestimmt werden. Dabei legen der Abstand zwischen der drehbaren Verbindung 433 und der Lastaufnahmevorrichtung 424, sowie der Abstand zwischen der drehbaren Verbindung 433 und dem Stützelement 434 ein Übersetzungsverhältnis der Mechanikeinheit 430 fest.
In 5 ist eine Schnittansicht eines dritten Antriebs 500 dargestellt, welcher, soweit sich im Folgenden keine Unterschiede ergeben, ausgeführt ist wie der erste Antrieb 1 und der zweite Antrieb 400. Der dritte Antrieb 500 umfasst eine Trägereinheit 501 und einen Läufer 520. Soweit sich im Folgenden keine Unterschiede ergeben, sind die Trägereinheit 501 und der Läufer 520 ausgebildet wie die Trägereinheiten 10, 401 und die Läufer 20, 420 des ersten Antriebs 1 bzw. des zweiten Antriebs 400. Des Weiteren umfasst der dritte Antrieb 500 ein Positionserfassungssystem 510 mit einer Signalerfassungseinheit 511 und einer Gebereinheit 512. Soweit sich im Folgenden keine Unterscheide ergeben, sind das Positionserfassungssystem 510, die Signalerfassungseinheit 511 und die Gebereinheit 512 ausgebildet wie die Positionserfassungssysteme 100, 410, die Signalerfassungseinheiten 120, 411 bzw. die Gebereinheiten 110, 412 des ersten Antriebs 1 bzw. des zweiten Antriebs 400.
Die Gebereinheit 512 des Positionserfassungssystems 510 ist derart an einem Läuferkörper 525 des Läufers 520 angeordnet, dass die Gebereinheit 512 vertikal ausgerichtet ist. Ihr gegenüberlegend ist die Signalerfassungseinheit 511 ebenfalls vertikal ausgerichtet an der Trägereinheit 501 angeordnet. Dadurch sind die Flächennormalen von in 5 nicht dargestellten Erfassungsflächen der Signalerfassungseinheit 511 horizontal ausgerichtet. Ebenfalls ist die Querrichtung 3, in welcher der Abstand 507 zwischen Gebereinheit 512 und Signalerfassungseinheit 511 gemessen wird, horizontal ausgerichtet.
Dies hat zur Folge, dass der Abstand 507 durch eine äußere Krafteinwirkung nur verändert werden kann, wenn die äußere Krafteinwirkung eine Kraftkomponente aufweist, welche eine in Querrichtung 3 wirkende Querkraft erzeugt. Eine Gewichtskraft 505 einer von dem Läufer 520 beförderten Nutzlast 503 wirkt lediglich in vertikaler Richtung, so dass die Gewichtskraft 505 der Nutzlast 503 eine solche Querkraftkomponente nicht aufweist.
Um aus der auf den Läufer 520 wirkenden Gewichtskraft 505 der Nutzlast 503 eine Querkraft zu erzeugen, weist der Läufer 520 eine Mechanikeinheit 530 auf. Über die Mechanikeinheit 530 ist eine Lastaufnahmevorrichtung 524 an dem Läuferkörper 525 befestigt, welche dazu ausgebildet ist, die Nutzlast 503 aufzunehmen bzw. zu tragen. Die Lastaufnahmevorrichtung 524 ist im Wesentlichen wie die Lastaufnahmevorrichtung 424 ausgebildet. Die Mechanikeinheit 530 weist einen oberen Hebelarm 531 und einen in vertikaler Richtung unterhalb von diesem angeordneten unteren Hebelarm 532 auf. Der obere und der untere Hebelarm 531, 532 sind parallel zueinander angeordnet. An jeweils übereinander liegenden Enden des oberen und des unteren Hebelarms 531, 532 ist die Lastaufnahmevorrichtung 524 über drehbare Verbindungen 533 mit den Hebelarmen 531, 532 verbunden. Dabei setzen die Hebelarme 531, 532 im Wesentlichen in vertikaler Richtung unterhalb des Schwerpunkts der Nutzlast 503 oder in der Mitte der Lastaufnahmevorrichtung 524 an.
Der obere und der untere Hebelarm 531, 532 sind jeweils über weitere drehbare Verbindungen an einem Tragarm 534 befestigt. Die drehbaren Verbindungen zwischen dem Tragarm 534 und Hebelarmen 531, 532 sind dabei in vertikaler Richtung übereinander liegend angeordnet. Der Tragarm 534 ist fest mit dem Läuferkörper 525 des Läufers 520 verbunden und stellt eine Verbindung der Mechanikeinheit 530 mit dem Läufer 520 her. Durch die Befestigung der Lastaufnahmevorrichtung 524 am Tragarm 534 über den oberen und den unteren Hebelarm 531, 532 wird eine Bewegung der Lastaufnahmevorrichtung 524 in vertikaler Richtung ermöglicht, bei der die Lastaufnahmevorrichtung 524, anders als es bei der Lastaufnahmevorrichtung 424 des zweiten Antriebs 400 der Fall ist, nicht verkippt wird. Insgesamt wird also durch die Befestigung der Lastaufnahmevorrichtung 524 an dem Tragarm 534 mittels des oberen und des unteren Hebelarms 531, 532 eine Parallelogrammführung der Lastaufnahmevorrichtung 524 realisiert.
Der untere Hebelarm 532 setzt sich von der drehbaren Verbindung 533 mit der Lastaufnahmevorrichtung 524 aus über die drehbare Verbindung mit dem Tragarm 534 auf der anderen Seite des Tragarms 534 fort und ist dort ebenfalls mittels einer drehbaren Verbindung an einem ersten Ende eines vertikalen Hebelarms 535 befestigt. Der vertikale Hebelarm 535 verläuft in vertikaler Richtung an dem Läuferkörper 525 entlang und ist an einem zweiten Ende über eine drehbare Verbindung mit einem drehbaren Umlenkelement 536 verbunden. Das drehbare Umlenkelement 536 kann beispielsweise als Scheibe oder als Platte ausgebildet sein. Das in 5 dargestellte drehbare Umlenkelement 536 ist als dreieckige Platte ausgebildet.
Das drehbare Umlenkelement 536 ist mittels jeweils einer weiteren drehbaren Verbindung mit einem Umlenkhalter 537 und einem Betätigungselement 538 verbunden. Der Umlenkhalter 537 ist fest an dem Läufer 520 angebracht, so dass sich das Umlenkelement 536 gegenüber dem Läufer 520 über die drehbare Verbindung mit dem Umlenkhalter 537 drehen kann. Das Betätigungselement 538 greift an einem dem Läuferkörper 525 gegenüberliegenden Ende der Gebereinheit 512 an der Gebereinheit 512 an und ist beispielsweise dort mit der Gebereinheit 512 verbunden. Die drehbaren Verbindungen des Umlenkelements 536 mit dem senkrechten Hebelarm 535, dem Umlenkhalter 537 und dem Betätigungselement 538 sind derart an dem Umlenkelement 536 angeordnet, dass das Umlenkelement 536 bei einer vertikalen Aufwärtsbewegung des senkrechten Hebelarms 535 so um die Verbindung mit dem Umlenkhalter 537 gedreht wird, dass das Betätigungselement 538 entgegen der Querrichtung 3 von der Signalerfassungseinrichtung 511 weg bewegt wird. Damit wird die an dem Betätigungselement 538 befestigte Gebereinrichtung 512 ebenfalls von der Signalerfassungseinrichtung 511 wegbewegt bzw. weggebogen und der Abstand 507 zwischen der Signalerfassungseinrichtung 511 und der Gebereinrichtung 512 vergrößert sich.
Die Mechanikeinheit 530 setzt damit eine vertikale Abwärtsbewegung der Lastaufnahmevorrichtung 524, beispielsweise durch eine Belastung mit der Nutzlast 503, über den unteren Hebelarm 532 der Parallelogrammführung in eine vertikale Aufwärtsbewegung des senkrechten Hebelarms 535 um. Die vertikale Aufwärtsbewegung des senkrechten Hebelarms 535 wird über das Umlenkelement 536 in eine entgegen der Querrichtung 3 gerichtete Bewegung des Betätigungselements 538 umgesetzt, wobei die Bewegung des Betätigungselements 538 von der Signalerfassungseinheit 511 weg gerichtet ist. Damit kann aus der in vertikaler Richtung wirkenden Gewichtskraft 505 der Nutzlast 503 eine Querkraft 506 erzeugt werden, welche eine äußere Krafteinwirkung 508 auf die Gebereinheit 512 ausübt und zu einer Vergrößerung des Abstandes 507 zwischen Gebereinheit 512 und Signalerfassungseinheit 511 führt.
Die Größe der Querkraft 506 wird über das Übersetzungsverhältnis bzw. Hebelverhältnis der Mechanikeinheit 530 bestimmt. Dieses Übersetzungsverhältnis wird zum einen bestimmt durch den Abstand zwischen dem Tragarm 524 und der Verbindung des unteren Hebelarms 532 mit der Lastaufnahmevorrichtung 524, zum anderen durch den Abstand zwischen dem Tragarm 524 und der Verbindung des unteren Hebelarms 532 mit dem senkrechten Hebelarm 535. Außerdem wird das Übersetzungsverhältnis bestimmt durch die Positionierung der drehbaren Verbindungen auf dem Umlenkelement 536.
An der Mechanikeinheit 530 kann, wie in 5 dargestellt, ein Gegengewicht 539 angebracht sein, welches der Gewichtskraft 505 der Nutzlast 503 entgegenwirkt. Bei dem dritten Antrieb 500 ist das Gegengewicht 539 an dem senkrechten Hebelarm 539 angebracht. Um eine Krafteinwirkung der Mechanikeinheit 530 auf die Gebereinheit 512 im unbeladenen Zustand des Läufers 520 zu verhindern, kann die Mechanikeinheit 530 einen Anschlag 540 aufweisen. Der Anschlag 540 begrenzt die Bewegung des senkrechten Hebelarms 535 in vertikaler Richtung nach unten, beispielsweise in dem er, wie in 5 dargestellt, das Gegengewicht 539 nach unten abstützt. Eine Befestigung des Anschlags 540 an den unbeweglichen Teilen der Mechanikeinheit 530 bzw. an dem Läufer 520 ist in 5 nicht dargestellt. Um die Bewegung des senkrechten Hebelarms 535 in vertikaler Richtung auch nach oben zu begrenzen, kann die Mechanikeinheit 530 oder der Läufer 520 auch einen weiteren Anschlag aufweisen, welcher beispielsweise in geeigneter Entfernung oberhalb des Gegengewichts 539 angeordnet sein kann.
Das Gegengewicht 539 kann beispielsweise derart dimensioniert werden, dass sich der senkrechte Hebelarm 535 nur in Bewegung setzt, wenn die Nutzlast 503 ein festgelegtes Mindestgewicht überschreitet. Ein Betriebszustand des Antriebs 500, in dem das Mindestgewicht überschritten wird, kann dann durch eine Bestimmung des Abstandes 507 mittels des ersten und des zweiten Positionssignals ermittelt werden. Dies erlaubt es beispielsweise, den dritten Antrieb 500 dahingehend zu überwachen, dass ein zulässiges Höchstgewicht der Nutzlast 503, welches dem festgelegten Mindestgewicht entspricht, während des Betriebs nicht überschritten wird. Ebenso ist es möglich, den dritten Antrieb 500 dahingehend zu überwachen, dass ein zulässiges Mindestgewicht der Nutzlast 503, welches dem festgelegten Mindestgewicht entspricht, während des Betriebs in bestimmten Betriebszuständen überschritten wird. Das Gegengewicht 539 kann auch dazu eingesetzt werden, den Messbereich, in dem das Gewicht der Nutzlast 503 bestimmt werden kann, zu verschieben, beispielsweise um im Verhältnis zum Gesamtgewicht kleine Gewichtsvariationen unterschiedlicher Nutzlasten erkennen zu können. Insgesamt kann der dritte Antrieb 500 damit bezüglich Betriebszuständen überwacht werden, die dadurch charakterisiert sind, dass eine vorgegebene Gewichtsgrenze durch die Nutzlast 503 über- bzw. unterschritten wird.
Wie der dritte Antrieb 500, kann auch der zweite Antrieb 400 an geeigneter Stelle einen Anschlag oder mehrere Anschläge aufweisen, um die Krafteinwirkung oder Bewegung der Gebereinheit 412 zu begrenzen. Ein solcher Anschlag kann beispielsweise zwischen dem Läuferkörper 425 und dem Tragelement 431 angeordnet sein.
Anstelle des Gegengewichts 539 kann die Mechanikeinheit 530 auch eine Feder 550 umfassen, wie es in 6 dargestellt ist. Die Feder ist derart an der Mechanikeinheit 530 bzw. an dem Läufer 520 angebracht, dass die Feder 550 bei einer Belastung der Mechanikeinheit 530 mit der Gewichtskraft 505 der Nutzlast 503 gespannt wird und so ein Teil der Gewichtskraft 505 kompensiert wird. In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Feder 550 mit einem Ende an dem senkrechten Hebelarm 535 und mit dem anderen Ende an dem Läuferkörper 525 angebracht. Die Feder 550 kann aber ebenso auch zwischen geeigneten Elementen oder Hebelarmen der Mechanikeinheit 530 angeordnet sein. Wird die Feder 550 mit einem Anschlag kombiniert und vorgespannt an der Mechanikeinheit 530 angeordnet, kann die Feder 550 genauso wie das Gegengewicht 539 dazu eingesetzt werden, dass sich die Elemente der Mechanikeinheit 530 erst bewegen, wenn der Läufer 520 mit einer Nutzlast 503 belastet wird, welches ein festgelegtes Mindestgewicht überschreitet.
In anderen Ausführungsformen kann eine äußere Krafteinwirkung, welche eine Änderung des Abstands zwischen einer Gebereinheit und einer Positionserfassungseinheit eines erfindungsgemäßen Positionserfassungssystems bewirkt, auch auf andere Weise als durch eine Gewichtskraft einer Nutzlast verursacht werden. Beispielsweise können das Positionserfassungssystem und der Läufer derart ausgebildet sein, dass ein Kontakt des Läufers mit einem weiteren Element des Antriebs eine Änderung des Abstands zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit bewirkt. Das weitere Element kann beispielsweise ein Auffahranschlag oder ein beweglicher Greifarm zum Be- und/oder Entladen des Läufers sein.
In 7 ist eine Aufsicht eines vierten Antriebs 600 dargestellt, welcher, soweit sich im Folgenden keine Unterschiede ergeben, ausgeführt ist wie der erste Antrieb 1, der zweite Antrieb 400 und der dritte Antrieb 500. Der vierte Antrieb 600 umfasst eine Trägereinheit 601 und einen Läufer 620. Soweit sich im Folgenden keine Unterschiede ergeben, sind die Trägereinheit 601 und der Läufer 620 ausgebildet wie die Trägereinheiten 10, 401, 501 und die Läufer 20, 420, 520 des ersten Antriebs 1, des zweiten Antriebs 400, bzw. des dritten Antriebs 500. Des Weiteren umfasst der vierte Antrieb 600 ein Positionserfassungssystem 610 mit einer Signalerfassungseinheit 611 und einer Gebereinheit 612. Soweit sich im Folgenden keine Unterscheide ergeben, sind das Positionserfassungssystem 610, die Signalerfassungseinheit 611 und die Gebereinheit 612 ausgebildet wie die Positionserfassungssysteme 100, 410, 510 die Signalerfassungseinheiten 120, 411, 511 bzw. die Gebereinheiten 110, 412, 512 des ersten Antriebs 1, des zweiten Antriebs 400 bzw. des dritten Antriebs 500.
7 zeigt eine Aufsicht auf den vierten Antrieb 600, bei der der Pfad, längs dessen der Läufer 620 beweglich ist, senkrecht zur Bildebene ausgerichtet ist. Insofern zeigt 7 den Läufer 620 in Bewegungsrichtung von vorne bzw. hinten aus gesehen.
Der vierte Antrieb 600 umfasst ein Führungssystem 605, welches den Läufer entlang des Pfades führt. Das Führungssystem 605 umfasst eine an dem Läufer 620 angeordnete Rollenanordnung 622. Die Rollenanordnung 622 umfasst mehrere Rollen 623, welche mittels Rollenlagern 624 an dem Läufer drehbar befestigt sind. Bei den Rollenlagern 624 kann es sich beispielsweise um Kugellager handeln. In 7 sind vier der Rollen 623 sichtbar. Das Führungssystem 605 kann jedoch weitere, hinter den dargestellten Rollen 623 und von diesen beabstandet angeordnete Rollen umfassen. Außerdem umfasst das Führungssystem 605 eine Führungsschiene 606. Die Führungsschiene 606 ist an einer Seite fest mit der Trägereinheit 601 verbunden und erstreckt sich, wie die Trägereinheit 601, längs des Pfades, welcher die Bewegung des Läufers 620 vorgibt.
Die Rollen 623 der Rollenanordnung 622 sind an einem Läuferkörper 621 des Läufers 620 angebracht. Der Läuferkörper 621 weist ein u-förmiges Profil auf und umschließt die Führungsschiene 606 von einer der Trägereinheit 601 abgewandten Seite aus. Die Rollen 623 sind derart zwischen dem Läuferkörper 621 und der Führungsschiene 606 angeordnet, dass sie auf der Führungsschiene 606 abrollen können.
Die Führungsschiene 606 ist im Wesentlichen als doppeltes T-Profil ausgebildet. Das Profil umfasst ein gerades Verbindungssegment, an dessen Enden zwei zu dem Verbindungssegment senkrecht ausgerichtete Quersegmente ausgebildet sind. Die Quersegmente sind also parallel zueinander ausgerichtet. Insgesamt vier Innenflächen der Quersegmente, welche an den einander zugewandten Seiten der Quersegmente angeordnet sind, weisen gegenüber dem Verbindungssegment einen Winkel von etwa 45° auf. Die Innenflächen der Abschlusssegmente bilden Laufflächen 602 des Führungssystems 605. Auf den Laufflächen 602 rollen die an dem Läufer 620 angebrachten Rollen 623 ab. Die um 45° gegenüber dem Verbindungselement verkippte Anordnung der Laufflächen 602 stellt sicher, dass eine Bewegung des Läufers 620 quer zum Pfad im Normalbetrieb des vierten Antriebs 600 im Wesentlichen unterbunden wird. Um ein Verkippen des Läufers 620 auf der Schiene zu verhindern, sind an dem Läufer 620 hinter einer oder mehrere der Rollen 623 weitere, in 7 nicht dargestellte Rollen angeordnet.
Der vierte Antrieb 600 ist als Linearmotor ausgebildet. Der Läufer 620 weist an zwei einander gegenüberliegenden Innenseiten des u-förmigen Läuferkörpers 621 jeweils einen Antriebsmagneten 625 auf. Die Antriebsmagnete 625 können beispielsweise als Permanentmagnete ausgebildet sein. Der Läufer 620 kann in 7 nicht dargestellte weitere Antriebsmagnete umfassen, welche in Bewegungsrichtung hinter den Antriebsmagneten 625 angeordnet sind. Zwischen den Antriebsmagneten 625 befindet sich ein Teil der Trägereinheit 601, an welchem die Antriebsmagnete 625 bei einer Bewegung des Läufers 620 längs des Pfades entlanglaufen. In diesem Teil der Trägereinheit 601 sind entlang des Weges mehrere hier nicht dargestellte Antriebsspulen einer Antriebsvorrichtung angeordnet. Die Antriebsspulen sind dazu ausgebildet, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches mit den Antriebsmagneten 625 zusammenwirkt und so eine längs des Pfades gerichtete und auf den Läufer 620 wirkende Antriebsraft zu erzeugen. Hierzu kann durch die Antriebsspulen beispielsweise ein mehrphasiges magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.
An einem Ende eines Schenkels des u-förmigen Läuferkörpers 621 ist die Gebereinheit 612 des Positionserfassungssystems 610 des vierten Antriebs 600 angebracht. Die Gebereinheit 612 umfasst eine Leiterplatte 613, welche im Wesentlichen parallel zu dem Schenkel des Läuferkörpers 621 ausgerichtet ist. Die Gebereinheit 612 ist parallel zu der Trägereinheit 601 ausgerichtet und bewegt sich bei einer Bewegung des Läufers 620 entlang des Pfades an der Trägereinheit 601 entlang. In der Trägereinheit 601 ist der Gebereinheit 612 gegenüberliegend die Signalerfassungseinheit 611 des Positionserfassungssystems 610 angeordnet. Die Signalerfassungseinheit 611 und die Gebereinheit 612 sind in einem gegenseitigen Abstand 608 voneinander und parallel zueinander angeordnet.
Die Trägereinheit 601 und die Gebereinheit 612 sind horizontal ausgerichtet und die Gebereinheit 612 läuft in vertikaler Richtung gesehen oberhalb der Trägereinheit 601 an dieser entlang. Insbesondere ist der Abstand 608 zwischen Signalerfassungseinheit 611 und Gebereinheit 612 und damit eine Querrichtung 609, in der der Abstand 608 gemessen wird, vertikal ausgerichtet. Die vertikale Richtung ist zugleich auch die Richtung, in welcher die Schwerkraft auf die Komponenten des vierten Antriebs 600 wirkt.
Auf einer Oberseite 626 des Läuferkörpers 621 ist eine Lastaufnahmevorrichtung 627 über eine Mechanikeinheit 630 an dem Läuferkörper 621 angebracht. Soweit keine Unterscheide beschrieben werden, sind die Lastaufnahmevorrichtung 627 und die Mechanikeinheit 630 ausgebildet wie die Lastaufnahmevorrichtung 403 und die Mechanikeinheit 430 des zweiten Antriebs 400. Insbesondere weist die Mechanikeinheit 630 auch das Stützelement 434 auf, mit dem die Mechanikeinheit 630 auf der Gebereinheit 612 aufliegt, bzw. abgestützt ist. An einer dem Stützelement 434 gegenüberliegenden Seite der Mechanikeinheit 630 ist die Mechanikeinheit 630 an dem Läuferkörper 621 befestigt. Die Lastaufnahmevorrichtung 627 ist als eine Schale ausgebildet, in welcher eine Nutzlast abgelegt werden kann.
In 7 ist der Läufer 620 in unbeladenem Zustand gezeigt und die Lastaufnahmevorrichtung 627 ist leer. Die Leiterplatte 613 der Gebereinheit 612 trägt in diesem Fall die von dem Stützelement 434 auf die Gebereinheit 612 ausgeübte Kraft ohne sich zu verbiegen. In 8 ist der vierte Antrieb 600 in beladenem Zustand gezeigt und die Lastaufnahmevorrichtung trägt eine Nutzlast 604. Durch die Gewichtskraft 405 der Nutzlast 604 wird in vertikaler Richtung von oben, also in der Querrichtung 609 quer zum Pfad, eine äußere Krafteinwirkung 404 mittels des Stützelements 434 auf die Gebereinheit 612 ausgeübt. Dies hat zur Folge, dass sich die Leiterplatte 613 unter der Krafteinwirkung 404 nach unten in Richtung der Signalerfassungseinheit 611 verbiegt. Insofern bildet die Leiterplatte 613 also einen elastischen Teil der Gebereinheit 612 aus.
Durch die Verbiegung der Leiterplatte 613 in Richtung der Signalerfassungseinheit 611 wird der Abstand 608 zwischen Signalerfassungseinheit 611 und Gebereinheit 612 verringert. Dies kann durch eine nicht dargestellte Signalverarbeitungseinrichtung des Positionserfassungssystems 610 über eine Änderung der Quadratsumme des ersten und des zweiten Positionssignals erfasst werden. Dadurch kann die Signalverarbeitungsanlage die äußere Krafteinwirkung 404 auf die Gebereinheit 612, welche durch die Gewichtskraft 405 der Nutzlast 604 ausgeübt wird, erfassen.
Die Gebereinheit 612 kann auch derart ausgebildet sein, dass durch eine äußere Krafteinwirkung auf andere Weise als durch eine Verbiegung der Leiterplatte 613 eine Änderung des Abstandes 608 bewirkt wird. Beispielsweise kann die Gebereinheit 612 derart an dem Läufer 620 angebracht sein, dass eine äußere Krafteinwirkung auf die Gebereinheit 612, beispielsweise durch eine Belastung der Lastaufnahmevorrichtung 627 mit einer Nutzlast 604, einen Versatz der Gebereinheit 612 in Querrichtung und damit quer zum Pfad bewirkt. Trotz des Versatzes kann die Gebereinheit 612 im Wesentlichen parallel zu der Signalerfassungseinrichtung 611 ausgerichtet bleiben. Beispielsweise kann die Gebereinheit 612 eine Gelenkverbindung umfassen, mittels derer sie derart an dem Läufer 620 befestigt ist, dass durch die Gelenkverbindung eine Parallelogrammführung der Gebereinheit 612 realisiert wird. Die Gebereinheit 612 kann auch eine an dem Läufer 620 angebrachte Führungsaufnahme umfassen, welche lediglich eine Bewegung der Gebereinheit in der Querrichtung 609 quer zum Pfad ermöglicht. Eine Rückstellkraft, wie sie benötigt wird, um die Gebereinheit 612 nach einer Belastung durch die äußere Krafteinwirkung wieder in ihre ursprüngliche Position zu versetzen, kann beispielsweise durch eine zwischen der Gebereinheit 612 und dem Läufer 620 angeordnete Feder realisiert werden.
Ein seitlicher Versatz der Gebereinheit 612 ohne Änderung des Winkels zwischen Gebereinheit 612 und Signalerfassungseinheit 611 bewirkt insbesondere, dass die Erfassungsflächen der Signalerfassungseinheit 611 und die Bedämpfungselemente der Gebereinheit 612 auch bei einer Änderung des Abstandes 608 parallel zueinander ausgerichtet bleiben. Dadurch kann durch die Signalverarbeitungseinrichtung der Abstand 608 mittels einer einfachen formelmäßigen Beziehung aus der Quadratsumme des ersten und des zweiten Positionssignals ermittelt werden.
Die mechanische Kopplung zwischen dem Läufer 620 und der an dem Läufer angebrachten Gebereinheit 612 ermöglicht es, im Rahmen der Überwachung des Betriebszustandes des vierten Antriebs 600 mittels der Bestimmung des Abstandes 608 auch eine Störung der Bewegung des Läufers 620 zu detektieren. Die Störung kann beispielsweise durch eine Beschädigung oder einen Defekt des Führungssystems 605, etwa an einer oder mehrerer der Rollen 623, an den Rollenlagern 624 oder an der Führungsschiene 606, verursacht werden. Beispielsweise können eine der Rollen 623 oder eine der Laufflächen 602 eine Einkerbung, eine Einbuchtung, eine Vorwölbung oder eine sonstige Beschädigung aufweisen. Die Störung kann ebenso durch einen Belag, beispielsweise eine Verschmutzung, auf den Laufflächen 602 der Führungsschiene 606 oder auf den Rollen 632 verursacht werden. Fährt der Läufer 620 in einen Bereich der Führungsschiene 606, die die Beschädigung aufweist, oder dreht sich die Rolle 623 in eine Position, in der ein beschädigter Teil der Rolle 623 an den Laufflächen 602 anliegt, so führt dies zu einer Verkippung oder einem Versatz des Läufers 620 in Querrichtung und der Abstand 608 ändert sich.
Abhängig davon, welche der Laufflächen 602 bzw. welche der Rollen 623 die Beschädigung aufweisen, vergrößert oder verkleinert sich der Abstand 608. Dadurch kann aus der Art der Abstandsvariation geschlossen werden, welche der Laufflächen 602 bzw. der Rollen 623 die Beschädigung aufweisen. Bei Betriebszuständen, bei denen insbesondere gleichzeitig mehrere Beschädigungen oder Defekte vorliegen, können diese Defekte oder Beschädigungen über die Größe bzw. Amplitude und das Vorzeichen der Änderung des Abstandes 608 unterschieden werden.
Im Rahmen der Bestimmung des Betriebszustandes des vierten Antriebs 600 kann neben der Amplitude auch eine Frequenz, mit der sich der Abstand 608 zwischen Gebereinheit 612 und Signalerfassungseinheit 611 ändert, von der Signalverarbeitungseinrichtung bestimmt werden. Dies erlaubt es, Betriebszustände, bei denen die Beschädigung oder Störung an der Führungsschiene 606 auftritt, von Betriebszuständen zu unterscheiden, bei denen die Beschädigung oder Störung an der Rollenanordnung 622 auftritt. Hierzu kann die Änderung des Abstandes 608 mit anderen Zustandsgrößen des vierten Antriebs 600 korreliert werden. Die Zustandsgrößen können beispielsweise die Längsposition des Läufers 620 entlang des Pfades, eine Geschwindigkeit des Läufers 620 längs des Pfades oder eine Leistungsaufnahme der den Läufer 620 antreibenden Antriebsspulen sein.
Beispielsweise kann aus der Geschwindigkeit, mit der sich der Läufer 620 entlang des Pfades bewegt, und einem bekannten Umfang der Rollen 623 eine Drehfrequenz der Rollen bestimmt werden. Entspricht die Frequenz der Abstandsänderung beispielsweise dieser Drehfrequenz, kann daraus auf eine Beschädigung oder Störung der Rollen 623 oder der Rollenlager 624 geschlossen werden. Tritt die Störung der Bewegung des Läufers 620, mithin die Änderung des Abstandes 608, immer bei der gleichen Längsposition des Läufers 620 längs des Pfades auf, so kann geschlossen werden, dass die Störung von einer Beschädigung der Führungsschiene 606 verursacht wird.
Korreliert die Änderung des Abstandes 608 mit einer Änderung der Leistungsaufnahme der Antriebsspulen, tritt beispielsweise mit der Änderung des Abstandes 608 eine kurzzeitige höhere Leistungsaufnahme auf, so kann daraus geschlossen werden, dass der Läufer 620 einen größeren Laufwiderstand überwinden muss. Beispielsweise kann die kurzzeitig erhöhte Leistungsaufnahme auftreten, wenn der Läufer 620 auf einen Belag oder eine Verschmutzung der Führungsschiene 606 auffährt. Eine solche erhöhte Leistungsaufnahme kann beispielsweise noch bei Belägen mit einer Dicke von unter 100µm, insbesondere unter 50µm, auftreten.
Bei einer Korrelation des Abstandes 608 mit einer Längsposition des Läufers 620 entlang des Pfades und auch bei einer Korrelation des Abstandes 608 mit der aus der Positionsänderung ermittelten Geschwindigkeit des Läufers 620 werden alle korrelierten Zustandsgrößen aus dem ersten und dem zweiten Positionssignal gewonnen. Insofern liegen die Informationen über den Abstand 608 und die Informationen über die Längsposition bzw. die Geschwindigkeit zeitsynchron vor. Damit ist für eine Korrelation keine weitere Zeiterfassung, beispielsweise mittels Zeitstempeln in den verwendeten Daten, und keine weiterer zeitlicher Abgleich der zur Bestimmung des Betriebszustands verwendeten Signale notwendig.
Eine Detektion der Störung der Bewegung des Läufers 620 im Rahmen der Überwachung des Betriebszustandes des vierten Antriebs 600 ermöglicht es, den Verschleiß des vierten Antriebs 600, bzw. des Führungssystems 605 im Betrieb zu überwachen. Insbesondere können Bewegungsstörungen und damit ein übermäßiger Verschleiß unverzüglich und noch während des Betriebes erkannt und ausgewertet werden. Indem der Abstand 608 zwischen Gebereinheit 612 und Signalerfassungseinheit 611 zur Überwachung des Betriebszustandes des vierten Antriebs 600 verwendet wird, kann zur Betriebszustandsüberwachung auf zusätzliche Sensoren an dem vierten Antrieb 600 verzichtet werden.
Die beschriebene Detektion der Störung der Bewegung des Läufers 620 kann in analoger Weise auch bei dem ersten Antrieb 1, dem zweiten Antrieb 400 oder dem dritten Antrieb 500 erfolgen. Insbesondere kann die Detektion von Bewegungsstörungen mit der Erfassung einer äußeren Krafteinwirkung auf die jeweiligen Gebereinheiten 110, 412, 512 kombiniert werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Läufer eines Antriebs auch dazu ausgebildet sein, eine Bewegung der Nutzlast quer zum Pfad zu ermöglichen. Beispielsweise kann hierzu eine Lastaufnahmevorrichtung in Querrichtung verschiebbar auf dem Läufer angeordnet sein. Über den Abstand zwischen einer Gebereinheit und einer mit dieser zusammenwirkenden Signalerfassungseinheit kann die Bewegung der Nutzlast quer zum Pfad ermittelt werden. Hierzu kann die Gebereinheit des Läufers dazu ausgebildet sein, der Verschiebung der Lastaufnahmevorrichtung in Querrichtung zu folgen. Insofern können in solch einem Fall auch Betriebszustände des Antriebs ermittelt und unterschieden werden, welche durch eine unterschiedliche Position der Nutzlast bzw. der Lastaufnahmevorrichtung in Querrichtung definiert werden.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung muss eine Lastaufnahmevorrichtung nicht wie in den 4, 5, 6 und 7 dargestellt in vertikaler Richtung oberhalb des Läufers angeordnet sein. Die Lastaufnahmevorrichtung kann auch seitlich von dem Läuferkörper oder in vertikaler Richtung unterhalb des Läuferkörpers angeordnet sein. Auch in diesem Fall kann durch eine geeignete Mechanikeinheit bzw. Hebeleinrichtung erreicht werden, dass durch die Gewichtskraft der Nutzlast eine Krafteinwirkung auf die Gebereinheit erfolgt. Ist die Nutzlast unterhalb des Läuferkörpers angebracht, so kann beispielsweise die Gebereinheit von der Signalerfassungseinheit nach unten weggezogen bzw. weggebogen werden.
Die beschriebene Ermittlung eines Betriebszustandes des ersten, zweiten dritten oder vierten Antriebs 1, 400, 500, 600 kann in analoger Weise auch realisiert werden, wenn eine Ausführung des Positionserfassungssystems verwendet wird, bei der eine Gebereinheit längs des Pfades und eine Signalerfassungseinheit an einem längs des Pfades beweglichen Läufer angeordnet ist. Zur Bestimmung einer äußeren Krafteinwirkung auf die an dem Läufer angeordnete Signalerfassungseinheit kann dann ebenfalls eine Änderung des Abstandes zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit herangezogen werden. Die Änderung des Abstandes kann beispielsweise durch eine Verbiegung eines elastischen Teils der Signalerfassungseinheit oder durch einen quer zum Pfad gerichteten Versatz der Signalerfassungseinheit gegenüber der Gebereinheit verursacht werden.
Ein erfindungsgemäßes Positionserfassungssystem für einen Antrieb mit einem entlang eines Pfades beweglichen Läufer ist dazu ausgebildet, aus einem ersten und einem zweiten Positionssignal sowohl eine Längsposition des Läufers längs des Pfades, als auch einen Abstand zwischen einer Gebereinheit und einer Signalerfassungseinheit des Positionserfassungssystems zu bestimmen. Indem die Längsposition aus Phasenwerten der Positionssignale und der Abstand aus Amplitudenwerten der Positionssignale ermittelt wird, können die Längsposition und der Abstand vorteilhafterweise unabhängig voneinander ermittelt werden. Insbesondere beeinflusst eine Änderung des Abstandes die bestimmte Längsposition des Läufers nicht oder nur geringfügig. Umgekehrt beeinflusst die Längsposition des Läufers den bestimmten Abstand ebenfalls nicht oder nur geringfügig.
Aus dem Abstand kann auf vorteilhaft einfache Weise ein Betriebszustand des Antriebs ermittelt und der Betriebszustand während des Betriebs des Antriebs überwacht werden. Im Rahmen der Ermittlung des Betriebszustands kann über den Abstand zwischen Gebereinheit und Signalerfassungseinheit beispielsweise der Einfluss einer von dem Läufer beförderten Nutzlast auf den Läufer bestimmt oder eine Störung der Bewegung des Läufers detektiert werden.
Der Einfluss der Nutzlast auf den Läufer bzw. auf eine an dem Läufer angebrachte Gebereinheit oder Signalerfassungseinheit erlaubt es beispielsweise, auf einfache Art und Weise eine Anwesenheit der Nutzlast auf dem Läufer zu erkennen. Außerdem kann über den Abstand ein Gewicht der Nutzlast bestimmt werden. Dadurch können im Rahmen der Bestimmung des Betriebszustandes beispielsweise Nutzlasten unterschiedlichen Gewichts voneinander unterschieden werden. Über eine Bestimmung des Abstandes kann beispielsweise auch eine Überschreitung eines zulässigen Höchstgewichts bzw. einer Gewichtsgrenze durch die Nutzlast ermittelt werden. Indem gegebenenfalls die Gewichtskraft über eine Mechanikeinheit auf die Gebereinheit oder die Signalerfassungseinheit des Positionserfassungssystem übertragen wird, kann eine von der Gewichtskraft der Nutzlast ausgeübte äußere Krafteinwirkung auf das Positionserfassungssystem angepasst werden. Dadurch kann beispielsweise ein für die Gewichtsbestimmung zur Verfügung stehender Messbereich vergrößert werden. Ebenso kann der Messbereich mittels der Mechanikeinheit verschoben werden, beispielsweise mittels einer ein Gegengewicht und einen Anschlag umfassenden Mechanikeinheit.
Eine Detektion einer Störung der Bewegung des Läufers über eine Bestimmung des Abstandes erlaubt es, auf einfache Weise einen Verschleiß eines den Läufer entlang des Pfades führenden Führungssystems des Antriebs zu überwachen. Insbesondere Defekte an Rollen und Führungsschienen des Führungssystems können detektiert werden. Eine Korrelation des Abstandes mit weiteren Zustandsgrößen des Antriebs, etwa mit einer Längsposition des Läufers, einer Geschwindigkeit des Läufers oder einer Leistungsaufnahme von den Läufer antreibenden Antriebselementen, erlaubt es auf einfache Weise, Defekte der Rollen oder anderer an dem Läufer angeordneter Elemente des Führungssystems von Defekten an Elementen des Führungssystems, welche ortsfest entlang des Pfades angeordnet sind, zu unterscheiden.
Sowohl die äußere Krafteinwirkung durch eine Nutzlast, als auch die Störung der Bewegung des Läufers kann vorteilhafterweise ermittelt werden, während sich der Läufer in Bewegung befindet. Dies erlaubt einen schnellen und effizienten Betrieb eines Antriebs mit einem erfindungsgemäßen Positionserfassungssystem und ermöglicht eine frühzeitige Detektion fehlerhafter oder sicherheitskritischer Betriebszustände.
Indem der Betriebszustand aus Positionssignalen des Positionserfassungssystems ermittelt wird, kann der Betriebszustand ohne zusätzliche entlang des Pfades oder an dem Läufer angebrachte Sensoren ermittelt werden. Diese in das Positionserfassungssystem integrierte Bestimmung des Betriebszustandes verringert insbesondere eine Anzahl von für den Antrieb benötigter Komponenten und vereinfacht damit den apparativen Aufbau des Antriebs.
Bezugszeichenliste

1: erster Antrieb
2: Längsrichtung
3: Querrichtung
4: Pfad
10: Trägereinheit
20: Läufer
30: Signalverarbeitungseinrichtung
40: Datenverbindung
100: Positionserfassungssystem
101: Abstand
110: Gebereinheit
111: Bedämpfungselement
112: Entfernung
114: Breite der Bedämpfungselemente
120: Signalerfassungseinheit
121: erste Erregerspule
122: Sinusempfängerspule
123: Cosinusempfängerspule
124: Grundelement
125: Periode
126: Phasenversatz
127: erste Seite
128: zweite Seite
131: erstes Empfangsspulenpaar
132: zweites Empfangsspulenpaar
133: drittes Empfangsspulenpaar
134: viertes Empfangsspulenpaar
135: fünftes Empfangsspulenpaar
221: zweite Erregerspule
222: einperiodische Empfängerspule
223: positiver Spulenabschnitt
224: negativer Spulenabschnitt
225: Flächenumrandung
226: erste Erfassungsfläche
227: zweite Erfassungsfläche
228: positive Signalerfassungsleitung
229: negative Signalerfassungsleitung
230: Leiterplatte
231: Kontaktpunkt
234: erste Halbperiode
235: zweite Halbperiode
400: zweiter Antrieb
401: Trägereinheit
402: Lauffläche
403: Nutzlast
404: äußere Krafteinwirkung
405: Gewichtskraft
406: Abstand
410: Positionserfassungssystem
411: Signalerfassungseinheit
412: Gebereinheit
413: Leiterplatte
420: Läufer
421: Rolle
424: Lastaufnahmevorrichtung
425: Läuferkörper
430: Mechanikeinheit
431: Tragelement
432: Tragelementhalterung
433: drehbare Verbindung
434: Stützelement
500: dritter Antrieb
501: Trägereinheit
503: Nutzlast
505: Gewichtskraft
506: Querkraft
507: Abstand
508: äußere Krafteinwirkung
510: Positionserfassungssystem
511: Signalerfassungseinheit
512: Gebereinheit
520: Läufer
524: Lastaufnahmevorrichtung
525: Läuferkörper
530: Mechanikeinheit
531: oberer Hebelarm
532: unterer Hebelarm
533: drehbare Verbindung
534: Tragarm
535: senkrechter Hebelarm
536: Umlenkelement
537: Umlenkhalter
538: Betätigungselement
539: Gegengewicht
540: Anschlag
600: vierter Antrieb
601: Trägereinheit
602: Lauffläche
604: Nutzlast
605: Führungssystem
606: Führungsschiene
608: Abstand
609: Querrichtung
610: Positionserfassungssystem
611: Signalerfassungseinheit
612: Gebereinheit
613: Leiterplatte
614: elastischer Teil
620: Läufer
621: Läuferkörper
622: Rollenanordnung
623: Rolle
624: Rollenlager
625: Antriebsmagnet
626: Oberseite
627: Lastaufnahmevorrichtung
630: Mechanikeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012204917 A1 [0003, 0060]
DE 102011003682 A1 [0005]

Claims

Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) für einen Antrieb (1, 400, 500, 600) mit einem längs eines Pfades (4) beweglichen Läufer (20, 420, 520, 620), wobei das Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) eine Gebereinheit (110, 412, 512, 612), eine Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) und eine Signalverarbeitungseinrichtung (30) umfasst, wobei die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) oder die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) am Läufer (20, 420, 520, 620) und die jeweils andere Einheit entlang des Pfades (4) angeordnet ist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, auf Grundlage einer relativen Lage von Gebereinheit (110, 412, 512, 612) und Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) ein erstes Positionssignal und ein zweites Positionssignal zu erzeugen, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, aus Phasenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals eine Längsposition des Läufers (20, 420, 520, 620) längs des Pfades (4) zu bestimmen, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, aus Amplitudenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals einen quer zu dem Pfad (4) gerichteten Abstand (101, 406, 507, 608) zwischen der Gebereinheit (110, 412, 512, 612) und der Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) zu bestimmen und aus dem Abstand (101, 406, 507, 608) einen Betriebszustand des Antriebs (1, 400, 500, 600) zu ermitteln.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß Anspruch 1, wobei das Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) als induktives Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) ausgebildet ist, wobei die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) eine Erregerspule (121, 221), eine Sinusempfängerspule (122) und eine Cosinusempfängerspule (123) umfasst, wobei die Sinusempfängerspule (122) und die Cosinusempfängerspule (123) eine sinusförmige Flächenumrandung (225) ausbilden und mit einem räumlichen Phasenversatz (126) angeordnet sind, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, aus Signalen der Sinusempfängerspule (122) das erste Positionssignal zu erzeugen und aus Signalen der Cosinusempfängerspule (123) das zweite Positionssignal zu erzeugen, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, die Längsposition aus einem Verhältnis aus dem ersten Positionssignal und dem zweiten Positionssignal zu bestimmen und den Abstand (100, 410, 510, 610) aus einer Quadratsumme des ersten und des zweiten Positionssignals zu bestimmen.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer Variation des Abstandes (100, 410, 510, 610) zur Ermittlung des Betriebszustandes zu bestimmen und daraus insbesondere eine Störung einer Bewegung des Läufers (20, 420, 520, 620) zu detektieren.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) nach Anspruch 3, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, einen Defekt eines den Läufer (20, 420, 520, 620) längs des Pfades (4) führenden Führungssystems (605) des Antriebs (1, 400, 500, 600) zu detektieren.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, zum Zwecke der Ermittlung des Betriebszustandes den Abstand (100, 410, 510, 610) mit der Längsposition des Läufers (20, 420, 520, 620) entlang des Pfades (4) und/oder mit einer Geschwindigkeit des Läufers (20, 420, 520, 620) und/oder mit einer Energieaufnahme eines den Läufer (20, 420, 520, 620) antreibenden Antriebselements des Antriebs (1, 400, 500, 600) zu korrelieren.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) ortsfest längs des Pfades (4) angeordnet ist und wobei die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) am Läufer (20, 420, 520, 620) angeordnet ist.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) und die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) derart ausgebildet sind, dass eine äußere Krafteinwirkung (404, 508) auf die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) oder die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) eine Änderung des Abstandes (100, 410, 510, 610) zwischen der Gebereinheit (110, 412, 512, 612) und der Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) bewirkt, und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, im Rahmen der Ermittlung des Betriebszustandes die äußere Krafteinwirkung (404, 508) zu erfassen.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß Anspruch 7, wobei die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) und die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) derart angeordnet sind, dass eine Gewichtskraft (405, 505) einer von dem Läufer (20, 420, 520, 620) beförderten Nutzlast (403, 503, 604) die äußere Krafteinwirkung (404, 508) verursacht.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß Anspruch 8, wobei die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) und die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) derart angeordnet sind, dass die äußere Krafteinwirkung (404, 508) von einer Mechanikeinheit (430, 530, 630) auf die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) oder die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) ausgeübt wird, wobei die Mechanikeinheit (430, 530, 630) dazu ausgebildet ist, aus der Gewichtskraft (405, 505) der Nutzlast(403, 503, 604) eine quer zum Pfad (4) gerichtete Querkraft (506) zu erzeugen.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) oder die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) an dem Läufer (20, 420, 520, 620) angebracht und dazu ausgebildet ist, dass die äußere Krafteinwirkung (404, 508) im Wesentlichen eine elastische Verbiegung eines elastischen Teils (614) der Gebereinheit (110, 412, 512, 612) bzw. der Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) quer zum Pfad (4) bewirkt.
Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) oder die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) an dem Läufer (20, 420, 520, 620) angeordnet und dazu ausgebildet ist, dass die äußere Krafteinwirkung (404, 508) im Wesentlichen einen quer zum Pfad (4) gerichteten Versatz der Gebereinheit (110, 412, 512, 612) bzw. der Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) gegenüber der jeweils anderen Einheit bewirkt.
Antrieb (1, 400, 500, 600) mit einem Positionserfassungssystem (100, 410, 510, 610) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, einem längs eines Pfades (4) beweglichen Läufer (20, 420, 520, 620) und einem den Läufer (20, 420, 520, 620) längs des Pfades (4) führenden Führungssystem (605), wobei der Antrieb (1, 400, 500, 600) als Linearmotor ausgebildet ist und eine längs des Pfades (4) angeordnete Antriebsvorrichtung umfasst, wobei die Antriebsvorrichtung eine Mehrzahl von längs des Pfades (4) angeordneten Antriebsspulen umfasst, wobei der Läufer (20, 420, 520, 620) einen Antriebsmagneten (625) aufweist, und wobei die Antriebsspulen dazu ausgebildet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches mit dem Antriebsmagneten (625) des Läufers (20, 420, 520, 620) zur Erzeugung einer Antriebskraft zusammenwirkt.
Verfahren zum Ermitteln eines Betriebszustandes eines Antriebs (1, 400, 500, 600) mit einem längs eines Pfades (4) beweglichen Läufer (20, 420, 520, 620) umfassend die folgenden Schritte: Erzeugen eines ersten Positionssignals und eines zweiten Positionssignals durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (30) eines Positionserfassungssystems (100, 410, 510, 610) auf Grundlage einer relativen Lage einer Gebereinheit (110, 412, 512, 612) des Positionserfassungssystems (100, 410, 510, 610) und einer Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) des Positionserfassungssystems (100, 410, 510, 610), Bestimmen eines quer zu dem Pfad (4) gerichteten Abstands (100, 410, 510, 610) zwischen der Gebereinheit (110, 412, 512, 612) und der Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) aus Amplitudenwerten des ersten und des zweiten Positionssignals durch die Signalverarbeitungseinrichtung (30), Ermitteln eines Betriebszustandes des Antriebs (1, 400, 500, 600) aus dem Abstand (100, 410, 510, 610).
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Ermitteln des Betriebszustandes des Antriebs (1, 400, 500, 600) ein Bestimmen einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer Variation des Abstandes (100, 410, 510, 610) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Ermitteln des Betriebszustandes des Antriebs (1, 400, 500, 600) ein Erfassen einer äußeren Krafteinwirkung (404, 508) auf die Gebereinheit (110, 412, 512, 612) oder die Signalerfassungseinheit (120, 411, 511, 611) umfasst.