DE10104373A1 - Verfahren zur Funktionskontrolle einer Positionsmesseinrichtung und Positionsmesseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Zur Funktionskontrolle einer inkrementalen Positionsmesseinrichtung wird aus den Abtastsignalen (A, B, C, D) durch Interpolation ein Positionsmesswert (P1) gebildet. Erfindungsgemäß wird in einem zweiten Schritt aus den vorhandenen Abtastsignalen (A, B, C, D) ein weiterer Positionsmesswert (P2) synthetisch gebildet, indem der Interpolationseinheit (6) die Abtastsignale (A, B, C, D) in einer anderen Verknüpfung zugeführt werden. Die beiden Positionsmesswerte (P1, P2) werden miteinander verglichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses wird ein Fehlersignal (R) abgegeben (Figur 1b).

Description

Positionsmesseinrichtungen werden in Form von Winkel- und Längenmess­ einrichtungen in der Werkzeugmaschinenindustrie und in anderen Ferti­ gungs-, Handhabungs- und Prüfsystemen breit eingesetzt. Für alle Einsatz­ fälle gewinnt vermehrt eine hohe Funktionssicherheit an Bedeutung, da ein Fehlbetrieb erhebliche Schäden hervorrufen kann. Es gibt bereits mehrere Lösungsvorschläge, um mittels Überwachungstests eine rechtzeitige Fehler­ erkennung der Positionsmesseinrichtung zu erhalten und damit Folgeschä­ den abzuwenden.

In der DE 28 25 842 C2 und der US 3,725,904 ist ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Überwachung der Richtigkeit des erfassten Positionsmess­ wertes beschrieben. Zur Abtastung einer Codierung bzw. Teilung sind zwei um einen vorgegebenen Abstand zueinander versetzt angeordnete Abtast­ einheiten vorgesehen. Die zwei Positionsmesswerte der beiden Abtastein­ heiten werden miteinander verglichen und eine Positionsdifferenz gebildet. Diese gemessene Differenz der Positionsmesswerte wird mit der durch die geometrische Anordnung der Abtasteinheiten vorgegebene Solldifferenz verglichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses wird ein Fehler­ signal ausgegeben.

Diese Maßnahme hat den Nachteil, dass eine redundante Abtasteinheit er­ forderlich ist, was die Baugröße und den Bauteileaufwand erhöht.

Bei der Positionsmesseinrichtung gemäß der DE 40 09 749 A1 ist zur Funk­ tionskontrolle nur eine Abtasteinheit erforderlich. Die Abtasteinheit wird zur Durchführung des Prüfverfahrens um einen durch Anschläge fest vorgege­ benen Weg verfahren und der dabei gemessene Weg wird mit dem durch die Anschläge vorgegebenen Weg verglichen. Bei einer Abweichung wird ein Fehlersignal erzeugt.

Der Nachteil dieser Maßnahme ist das Vorsehen von mechanischen An­ schlägen und das Vorsehen eines zusätzlichen Antriebs, was die Baugröße erheblich vergrößert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Funktionskontrolle einer Positionsmesseinrichtung anzugeben, das einfach durchführbar ist und das die Baugröße der Positionsmesseinrichtung nicht bzw. nur unwesentlich vergrößert.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Positionsmesseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im An­ spruch 5 angegeben.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahme kann auf einfache Weise eine Fehlfunktion der Detektorelemente der Abtasteinheit sowie Fehlfunktionen der elektrischen Bauteile in den einzelnen Abtastkanälen, insbesondere der Verstärker und Trigger erkannt werden.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen An­ sprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Positi­ onsmesseinrichtung in einem ersten Kontroll­ zustand,

Fig. 1b die Positionsmesseinrichtung gemäß Fig. 1a in einem zweiten Kontrollzustand;

Fig. 2a eine weitere Positionsmesseinrichtung in einem ersten Kontrollzustand und

Fig. 2b die weitere Positionsmesseinrichtung in einem zweiten Kontrollzustand.

In den Fig. 1a und 1b ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Positionsmesseinrichtung besteht aus einer lichtelektrisch abtastbaren Teilung 1, die von einer Lichtquelle 2 beleuchtet wird und von einer Abtasteinheit 3 zur Erzeugung von positionsabhängigen elektrischen Abtastsignalen A, B, C, D abgetastet wird. Die Teilung 1 ist eine inkremen­ tale, also periodische Markierung, so dass das von der Lichtquelle 2 ausge­ sandte Licht periodisch moduliert auf gegeneinander versetzt angeordnete Detektorelemente 3A, 3B, 3C, 3D der Abtasteinheit 3 trifft und analoge si­ nusförmige Abtastsignale A = a + sinα; B = a - sinα; C = a + cosα; D = a - cosα erzeugt werden. In bekannter Weise sind die periodischen Abtastsig­ nale A, B, C, D gegeneinander jeweils um 90° phasenverschoben, mit der Phasenlage A = 0°, B = 180°, C = 90°, D = 270°.

Zur Eliminierung des Gleichlichtanteils a sind die gegenphasigen Abtastsig­ nale A, B und C, D jeweils in Differenz geschaltet, wozu Differenzverstärker 4, 5 vorgesehen sind, an deren Ausgang die Differenzsignale E = A - B = sinα und F = C - D = cosα anstehen. Diese Differenzsignale E und F werden einer Auswerteeinheit in Form einer Interpolationseinheit 6 zugeführt, welche aus der Phasenlage der Differenzsignale E, F in bekannter Weise einen ab­ soluten Positionsmesswert P1 innerhalb einer Periode der periodischen Dif­ ferenzsignale E, F bildet und diesen in einer Vergleichseinrichtung 7 abspei­ chert. Dieser Betrieb der Positionsmesseinrichtung ist in Fig. 1a dargestellt.

Der absolute Positionsmesswert P1 wird in der Interpolationseinheit 6 bei­ spielsweise nach der Beziehung P1 = arctan E/F berechnet. Die Interpola­ tion kann aber auch durch Auslesen von Tabellenwerten erfolgen.

Zur Funktionskontrolle der Positionsmesseinrichtung ist eine Umschaltein­ richtung 8 vorgesehen, welche die Abtastsignale A, B, C, D in einer anderen Verknüpfung an die Interpolationseinheit 6 anlegt. Dieser Zustand ist in Fig. 1b dargestellt. Mittels der Schalter 81, 82, 83, 84 werden die Abtastsignale A, B, C, D an andere Eingänge der Differenzverstärker 4, 5 gelegt, so dass vom Differenzverstärker 4 das Differenzsignal F = C - D und vom Differenz­ verstärker 5 das Differenzsignal K = B - A gebildet wird. In diesem Zustand bildet die Interpolationseinheit 6 einen zweiten absoluten Positionsmesswert P2 innerhalb einer Periode der periodischen Differenzsignale F, K nach der Beziehung P2 = arctan F/K. Dieser zweite Positionsmesswert P2 ist also sozusagen ein synthetisch erzeugter Positionsmesswert P2, der nach einer vom eigentlichen Messbetrieb gemäß Fig. 1a abweichenden Verknüp­ fungsregel der Abtastsignale A, B, C, D erzeugt wird. Auch dieser Positi­ onsmesswert P2 wird der Vergleichseinrichtung 7 zugeführt und dort abge­ speichert.

In der Vergleichseinrichtung 7 werden beide Positionsmesswerte P1 und P2 miteinander verglichen und auf Sollabstand geprüft. Im erläuterten Beispiel muss bei korrekter Betriebsweise P2 = P1 - T/4 sein, mit T = Signalperiode der Differenzsignale E, F, K. Wird eine Signalperiode (360°) beispielsweise in 256 gleiche Teile unterteilt (Interpolationsfaktor = 256), dann muss bei einem fehlerfreien Betrieb aller Bauelemente, die zur Erzeugung der Abtast­ signale A, B, C, D sowie E, F, K beitragen der Vergleich P2 = P1 - 64 erge­ ben. Liegt dieses Vergleichsergebnis nicht innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches, wird ein Fehlersignal R abgegeben.

Der Vorteil der Erfindung ist, dass eine Funktionskontrolle im Stillstand, das heißt ohne Relativbewegung zwischen der Teilung 1 und der Abtasteinheit 3 möglich ist. In die Funktionskontrolle sind alle Bauelemente der einzelnen Abtastkanäle zur Erzeugung der einzelnen Abtastsignale A, B, C, D, E, F, K sowie auch die Interpolationseinheit 6 mit einbezogen.

In den Fig. 2a und 2b ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Fig. 2a zeigt die Positionsmesseinrichtung im normalen Messbetrieb wie gemäß Fig. 1a. Die Schalter 81, 82 dienen dazu, um in einem zweiten Zu­ stand die Abtastsignale A und D dem ersten Differenzverstärker 4 zuzufüh­ ren, so dass an dessen Ausgang das Differenzsignal A - D = G ansteht und die Abtastsignale C und A dem zweiten Differenzverstärker 5 zuzuführen, so dass an dessen Ausgang das Differenzsignal C - A = H ansteht. In diesem Zustand bildet die Interpolationseinheit 6 einen zweiten absoluten Positi­ onsmesswert P3 innerhalb einer Periode der periodischen Differenzsignale G und H nach der Beziehung P3 = arctan G/H. Dieser zweite Positions­ messwert ist der synthetisch erzeugte Positionsmesswert P3, der nach einer vom eigentlichen Messbetrieb abweichenden Verknüpfungsregel der Abtast­ signale A, B, C, D erzeugt wird.

In der Vergleichseinrichtung 7 werden beide Positionsmesswerte P1 und P3 miteinander verglichen und auf Sollabstand geprüft. In diesem zweiten Bei­ spiel muss bei korrekter Betriebsweise P3 = P1 - T/8 sein, mit T = Signal­ periode der Differenzsignale G und H. Wird eine Signalperiode (360°) bei­ spielsweise in 256 gleich große Teile unterteilt, dann muss bei einem fehler­ freien Betrieb aller Bauelemente, die zur Erzeugung der Abtastsignale A, B, C, D sowie G und H beitragen der Vergleich P3 = P1-32 ergeben.

Das Verfahren zur Funktionskontrolle erfolgt vorzugsweise während der In­ betriebnahme der Positionsmesseinrichtung, es kann aber auch während des Messbetriebes erfolgen, und zwar in Zeiträumen, in denen von einer externen Folgeelektronik keine Positionsmesswerte zur Positionierung eines Maschinenteils angefordert werden. Die erfindungsgemäße Funktionskon­ trolle erfolgt vorzugsweise innerhalb der Positionsmesseinrichtung.

Bei allen Ausführungsbeispielen können anstelle analoger Abtastsignale A bis H auch digitalisierte Abtastsignale zur Funktionskontrolle dienen.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung ist die Umschalteinrich­ tung 8 mit diskreten Schaltern 81 bis 84 dargestellt. In der Praxis wird diese Umschalteinrichtung 8 als Software Bestandteil der Interpolationseinheit 6 sein.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen lichtelektrischen Positions­ messeinrichtungen beschränkt, sie ist auch bei magnetischen, induktiven sowie kapazitiven Längen- sowie Winkelmesseinrichtungen einsetzbar. Die Erfindung ist nur anhand der Abtastung einer Teilung 1 erörtert. Sie kann selbstverständlich auch bei mehrspurigen absoluten Positionsmesseinrich­ tungen eingesetzt werden, wobei jede Spur eine periodische Teilung dar­ stellt und die Abtasteinheiten der einzelnen Teilungsspuren gemäß der Er­ findung geprüft werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Funktionskontrolle einer Positionsmesseinrichtung mit einer relativ zu einer Teilung (1) verschiebbaren Abtasteinheit (3), wobei die Abtasteinheit (3) mehrere Detektorelemente (3A, 3B, 3C, 3D) besitzt und an einer momentanen Relativlage zwischen Teilung (1) und Abtast­ einheit (3) mehrere Abtastsignale (A, B, C, D) erzeugt, wobei das Ver­ fahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

• - Bildung eines ersten Positionsmesswertes (P1) aus den Abtastsig­ nalen (A, B, C, D) nach einer ersten Verknüpfungsregel;
• - Bildung eines zweiten Positionsmesswertes (P2; P3) aus den Ab­ tastsignalen (A, B, C, D) nach einer zweiten von der ersten abwei­ chenden Verknüpfungsregel;
• - Vergleich des ersten Positionsmesswertes (P1) mit dem zweiten Positionsmesswert (P1, P2; P1, P3) und
• - Erzeugen eines Fehlersignals (R) in Abhängigkeit des Vergleichs­ ergebnisses.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtast­ einheit (3) vier um jeweils 90° gegeneinander phasenverschobene Ab­ tastsignale
A = a + sinα
B = a - sinα
C = a + cosα
D = a - cosα
erzeugt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Positionsmesswert (P1) nach folgender Verknüpfungsregel gebildet wird:
und dass der zweite Positionsmesswert (P2) nach folgender Verknüp­ fungsregel gebildet wird:

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Positionsmesswert (P1) nach folgender Verknüpfungsregel gebildet wird:
und dass der zweite Positionsmesswert (P3) nach folgender Verknüp­ fungsregel gebildet wird:

5. Positionsmesseinrichtung mit
einer relativ zu einer Teilung (1) verschiebbaren Abtasteinheit (3), wobei die Abtasteinheit (3) mehrere Detektorelemente (3A, 3B, 3C, 3D) besitzt, um an einer momentanen Relativlage zwischen Teilung (1) und Abtasteinheit (3) mehrere Abtastsignale (A, B, C, D) zu er­ zeugen;
einer Auswerteeinheit (6) an der die Abtastsignale (A, B, C, D) anlie­ gen und die aus den Abtastsignalen (A, B, C, D) einen Positions­ messwert (P1) nach einer ersten Verknüpfungsregel und einen Po­ sitionsmesswert (P2; P3) nach einer zweiten Verknüpfungsregel bildet;
einer Vergleichseinrichtung (7), der die nach der ersten und zweiten Verknüpfungsregel gebildeten Positionsmesswerte (P1, P2; P3) zu­ geführt sind und die beide Positionsmesswerte (P1, P2; P1, P3) vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ein Feh­ lersignal (R) erzeugt.

6. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eine Interpolationseinheit (6) ist.