DE10117193A1 - Messsystem zur Absolutwerterfassung von Winkeln oder Wegen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Messsystem zur Erfassung von Winkeln oder Wegen, bei dem der Maßstab eine Messspur mit absoluter Kodierung aufweist, und die von einem Sensor abgetatstet wird, beschrieben. DOLLAR A Der Maßstab ist aus wenigstens zwei in gleicher Weise absolut kodierten Teilstrecken zusammengesetzt und auf dem Maßstab ist eine Parallelspur vorgesehen, mit der der Absolutwert der jeweils ereichten Teilstrecke ermittelt wird. Aus den beiden Absolutwerten wird dann der Gesamtabsolutwert gewonnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Absolutwerterfassung von Winkeln oder Wegen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiges Messsystem, das sowohl für Dreh- als auch Wegmessungen geeignet ist, ist aus der DE 195 05 176 A1 bekannt. Der in dieser Schrift ausgeführte, lineare PRC-Code (Absolutkodierung in der Maßstabsachse und hintereinander in einer schmalen Linie mit gleichen Abständen einer zusätzlichen Inkrementen-Spur) ist in seiner Länge durch L = Teilung.Bitwert des Absolutcodes gegeben. Die Inkremen­ tenspur dient der Erhöhung der Genauigkeit des jeweiligen zu ermittelnden Absolut­ werts.

Bei einem Teilungsabstand von z. B. 20 bis 30 µm und z. B. einer 12-Bit-Absolutspur ergeben sich Gesamtlängen von 20 µm bis 30 µm.4096 ≅ 82 bis 123 mm. Diese ma­ ximale Maßstabslänge ist für viele Zwecke viel zu kurz. Will man Maßstabslängen von z. B. 4 bis 5 m realisieren, so sind Absolutkodierungen mit mehr als 18 bis 20 Bits notwendig, worauf, die DE 195 05 176 A1 hinweist.

Solche Maßstäbe sind kompliziert zu fertigen. Außerdem müssen die 18 bis 20 Fo­ toempfänger den Maßstab möglichst verzerrungsfrei wiedergeben, und dieser muss mit ausreichend hoher Lichtstärke ausgeleuchtet werden. Zusätzlich benötigt man eine komplexe Signalverarbeitung bei der Auswerteelektronik.

Inkrementallängengeber sind in der Maßstabsgestaltung und Auswerteelektronik bei einer solchen Maßstabslänge vielseitig, so dass sie auch für Absolutmessungen her­ angezogen werden. Dazu benötigt man eine oder mehrere Referenzmarken, die stets nach dem Aus- und Einschalten der Anlage angefahren werden müssen. Auch ist die Messeinrichtung anfällig für den Verlust der Position, und daher muss stets durch Anfahren der Referenzmarken der notwendigen Sicherheit Rechnung getra­ gen werden. Dies ist umständlich, nicht immer machbar und wird nur wegen des Preises den selten anzutreffenden und teuren Absolutmessanlagen vorgezogen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem mit Absolutwerterfassung zu schaffen, das bei großen Maßstablängen anwendbar ist und dabei keine sehr große Bitzahl in der Maßstabskodierung mit den dadurch bedingten Nachteilen be­ nötigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Längenmaßstab ist für beliebige Längenmessstrecken ko­ stengünstig fertigbar und problemlos einsetzbar. Der gesamte Abtastsensor ist in seinen Komponenten für die möglichst universelle Anwendung bei Winkel- und Wegmesssystemen geeignet und für beliebige Messlängen einsetzbar. Mit der erfin­ derischen Ausgestaltung der Längenmesseinrichtung wird den vielfältigen Anforde­ rungen Rechnung getragen und eine universelle und preisgünstige Geräteausfüh­ rung auch für die verschiedensten Aufgabenstellungen geschaffen.

Der erfinderische Gedanke basiert auf der Nutzung von z. B. 12-Bit-absolutkodierten Strecken, die bei optischen Abtastsystemen ca. 100 mm Länge aufweisen, und mehrfach aneinandergereiht die Messstabslänge ergeben. Diese Teilabschnitte ha­ ben zweckmäßigerweise eine absolut kodierte Spur, die vorzugsweise mit einer par­ allel verlaufenden Inkrementalspur zur analogen Erfassung der dazwischen liegen­ den Wegstrecke zusätzlich versehen ist, um einen sehr hoch aufgelösten Gesamtab­ solutwert zu bilden. Ein 4-m-Maßstab hat ca. 40 solcher gleicher, absolutkodierter Strecken, z. B. im PRC-Code, deren jeweilige Anfänge und Enden in der Codeausle­ gung für die kontinuierliche Signalauswertung berücksichtigt werden. Bei z. B. einem 12-Bit-Code ergeben sich 144 Kodierungsmöglichkeiten, nach denen ein zyklischer Übergang zur nächsten Teilstrecke erfolgen kann.

Um die absolute Lage insgesamt zu bestimmen, ist es notwendig, die "Nummer" des jeweiligen Streckenabschnitts zu erfassen. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass die Teilstrecken nach Richtung und Lage erfasst werden und entspre­ chend von einer definierten Ausgangsposition aus folgerichtig bestimmt werden. Zu den absolutkodierten Abschnitten kommt also gemäß der Erfindung eine zusätzliche Spur, die es im Zusammenwirken mit z. B. in einfachster Ausführung zwei Schaltsen­ soren gestattet, die Abschnitte in 4 Teilbereichen zu erfassen und so eindeutig die Lage auch für höchste Verfahrensgeschwindigkeiten zu bestimmen. Die Spur ist im einfachsten Fall mit einer symmetrischen Hell-Dunkelspur bei optischen Systemen, bzw. mit einer ca. 50% der Abschnitte magnetischen und nicht magnetischen Struk­ tur bei magnetischer Abtastung ausgeführt und ist zweckmäßigerweise um 25% der Abschnitte zum Beginn bzw. Ende der Kodierspur versetzt angeordnet. Empfeh­ lenswert ist die magnetische Erfassung der Spur, die mittels Permanentmagnet die Hilfsenergie für die dazu bestimmten Sensoren liefern kann und für die Signalverar­ beitung und Speicherung der Daten wegen der geringen Stromaufnahme den Batte­ riebetrieb begünstigt. Auch ist diese Sensierung sehr robust und schmutzunempfind­ lich. Die Hilfsenergie Batterie ist für die Speicherung des Absolutwerts der Teilstrecke notwendig, wodurch die Lage nach dem Einschalten der Versorgungsspannung so­ fort sicher erfasst werden kann. Auch kann sie bei Handverstellung der Bewegungs­ einrichtung ohne Netzversorgung den richtigen Absolutwert der Teilstrecke bei Wie­ dereinschalten der Netzversorgung gewährleisten. Die einzelnen Teilstrecken und ihre Nummern werden als Absolutwert jeweils auf der Parallelspur miterfasst und bil­ den somit beim Wiedereinschalten den Absolutwert.

Die so konzipierte Absolutwertbildung in den jeweiligen Streckenabschnitten - ganz unabhängig von dem gewählten Verfahren der Absolutwertbildung - wird mittels der zählbaren Erfassung der Strecken zum Gesamtabsolutwert für beliebig lange Strec­ ken ergänzt. Die Sensorkomponenten sind einschließlich der Signalverarbeitung im Gesamtsensor untergebracht. Sie sind für eine Vielzahl von Winkel- und Wegmess­ systemen gleich und damit vielfältig einsetzbar. Der Maßstab ist in "endloser Länge" herstellbar, und davon sind bedarfsgerecht einfach die beliebigen Maßstabslängen abzutrennen. Auch sind die Anschlüsse zum Datenaustausch sowie zur Parametrie­ rung zweckmäßigerweise zu denen der Dreh- und Winkelgeber identisch auszufüh­ ren, um die vorteilhafte Durchgängigkeit der Sensorsysteme bei Kundensteuerungen bezüglich Inbetriebnahme, Nutzung und Service zu gewährleisten. Vor allem sind hierzu volldigitale Versionen über SSI-Datenaustausch und Parametrierung vorteilhaft. Besonders Gebersysteme unter Echtzeit-Signalverarbeitung bieten über die parallel abfragbaren SSI-Taktsignale an mehreren Gebern - mit jeweils separater Datenleitung - die redundante Sensorauswertung an und sind auch in einem Län­ genmesssystem in sehr verschmutzter Umgebung (sowohl am Sensor als auch am Maßstab) anwendbar.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau des Maßstabes,

Fig. 2 den Maßstab mit Sensoren.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Maßstabs 1 gezeigt, der eine mit Absolutwerten ko­ dierte Spur 2 mit z. B. 12 Bits aufweist. Das bedeutet, dass der dazugehörende Ab­ tastkopf zwölf in Reihe liegende Abtastzellen aufweist, die jeweils nach einer Bewe­ gung um einen Schritt einen neuen Absolutwert erkennen. Es sind hier drei Teilstrec­ ken 1a bis 1c angedeutet, wobei auch die mittlere Teilstrecke 1b nur ausschnittswei­ se zu sehen ist. In einer Teilstrecke sind 2¹² = 4096 unterscheidbare Schritte, z. B. im PRC-Code vorhanden. Der Gesamtmaßstab ist nun aus mehreren Teilstrecken 1a bis 1c zusammengesetzt. Unter der Spur 2 ist eine Inkrementalspur 3 angeordnet, die dazu dient, die Genauigkeit des jeweiligen Werts der Absolutspur 2 zu erhöhen; sie weist die gleiche Gesamtlänge des Maßstabs auf.

Zu den genannten Spuren kommt gemäß der Erfindung noch eine weitere Spur 4 mit gleicher Länge wie die Teilstrecken, die dazu dient, die Teilstrecken nach Richtung und Lage zu erkennen bzw. zu erfassen und, ausgehend von einer definierten Aus­ gangsposition, folgerichtig zu bestimmen. Durch diese Bestimmung wird also die "Nummer" der einzelnen Teilstrecken bestimmt. Die Spur ist bei optischen Systemen im einfachsten Fall mit einer symmetrischen Hell-Dunkelspur ausgelegt, bzw. bei ei­ ner Spur für magnetische Auswertung mit je 50% Abschnitten mit magnetischer und nicht-magnetischer Struktur. Wichtig ist, dass an den Übergängen von der einen zur anderen Teilstrecke, z. B. 1a nach 1b eine magnetische Struktur vorhanden und um ca. 25% der Teilstrecken versetzt angeordnet ist. In Fig. 1 ist dies dargestellt, wobei für die Spur 4 unterstellt ist, dass die Strecke 1b in voller Länge gezeigt ist. Nur so ist darstellbar, dass 50% magnetisch und 50% der Spur unmagnetisch sind. Die Spur wird z. B. mit zwei Schaltsensoren angetastet, um den Übergang eindeutig zu be­ stimmen. Die Schaltsensoren sind zweckmäßigerweise in einem Abstand von ca. 25% der Teilstrecken angeordnet. Somit werden die 4 Quadranten der Teilstrecken, z. B. an den in Fig. 1 mit x bezeichneten Stellen, (2mal 25% magnetisch, 2mal 25% unmagnetisch) auch bei höchster Messgeschwindigkeit von z. B. 10 m/sec in ca. 2 m/sec erfasst, was auch für langsame Sensoren, wie Reedschalter oder getaktete Magnetsensoren, sicher ausreichend ist. Dies ist für die Auswertung der zu zählenden Teilstrecken unter allen denkbaren Ein-/Ausschaltvorgängen der Versorgungsspan­ nung und der folgerichtigen Zusammensetzung der Absolutwertbildung mit den Teil­ strecken wichtig und bedarf der sorgfältigen Auslegung. Es soll hier nicht weiter er­ läutert werden, dass durch höhere Schaltgeschwindigkeiten der Sensoren, diese auch mit viel kleinerem Abstand als 25% der Teilstrecke angeordnet sein können, z. B. in einem integrierten Baustein. Aus dem Absolutwert der Spur 2, eventuell verbessert mit Hilfe der Spur 3 und der "Nummern"-Bestimmung der Teilstrecke mit der Spur 4, wird somit der tatsächliche Standort ermittelt.

Fig. 2 zeigt den Maßstab 1 in Seitenansicht mit einer Vielzahl von Teilbereichen, z. B. 1a bis 1c. Es sind zwei versetzt angeordnete Sensoranordnungen 5 vorhanden, de­ ren Messergebnisse zu einer redundanten Signalauswertung benutzt und in der Steuerung 6 entsprechend verarbeitet werden.

Claims (8)

1. Längenmesssystem zur Absolutwerterfassung von Winkeln und Wegen, bei dem der Maßstab (1) eine Meßspur (2) zur Absolutwertbildung aufweist, die von einem dazugehörigen Abtastkopf erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (1) aus wenigstens zwei in gleicher Weise zur Absolutwerterfas­ sung ausgebildeten Teilstrecken (1a bis 1c) zusammengesetzt ist, und dass auf dem Maßstab (1) eine Parallelspur (4) zur Bestimmung des Absolutwerts der jeweils erreichten Teilstrecke (1a bis 1c) mittels einer weiteren Sensoranord­ nung vorgesehen ist, und dass Schaltmittel vorgesehen sind, die aus dem Abso­ lutwert der Teilstrecken (1a bis 1c) und dem ermittelten Absolutwert innerhalb der Teilstrecke (1a bis 1c) den Gesamtabsolutwert zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen.

2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Teilstrecken (1a bis 1c) in gleichen Codeabschnitten ausgeführt sind.

3. Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Paral­ lelspur (4) für eine magnetische Signalerfassung ausgeführt ist.

4. Messsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelspur (4) dauermagnetische Teilabschnitte aufweist.

5. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Notversorgung eine Batteriehilfsenergie außerhalb und/oder innerhalb des weiteren Sensors vorgesehen ist.

6. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass es aus mindestens zwei gleichen und versetzt angebrachten Sensoren (S₁, S₂) besteht, deren Messwerte von der externen Steuerung zur redundanten Signalauswertung herangezogen werden.

7. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zugrunde liegende Absolutmesssystem auf optischen, magnetischen, induktiven, elektromagnetischen oder kapazitiven Messsystemen oder aus Kom­ binationen dieser Messsysteme beruht.

8. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutwert der erreichten Teilstrecke (1a bis 1c) durch folgerichtige Aus­ wertung der überfahrenen Teilstrecken (1a bis 1c) von einer definierten Aus­ gangsposition aus bestimmt wird.