DE10123539B4

DE10123539B4 - Magnetische Längenmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10123539B4
Application number: DE2001123539
Authority: DE
Inventors: Peter Wirth; Klaus-Manfred Steinich
Original assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Current assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: DE10123539A1

Abstract

Längenmessvorrichtung mit
– einem Maßstab (1), der in Messrichtung (10) regelmäßig, insbesondere abwechselnd codiert ist,
– einer Sensoreinheit (2), die in Messrichtung (10) relativ zum Maßstab (1) bewegbar ist und wenigstens einen Sensor zum berührungslosen Detektieren von magnetisch modulierten analogen Signalen umfasst,
– einer Elektronik (9) zum Auswerten der Signale des wenigstens einen Sensors,
– die Sensoreinheit (2) wenigstens einen Positionssensor (102) und einen Referenzsensor (102') zum berührungslosen Detektieren von magnetisch modulierten analogen Signalen umfasst, wobei die Sensoren (102, 102') in Messrichtung (10) hintereinander in einem definierten Sensor-Abstand (L3) zueinander angeordnet sind,
– der Maßstab (1) die Referenzmarke (32) in seiner in Messrichtung (10) definiert regulär codierten Zähl-Spur (16) integriert hat,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Sensoreinheit (2) so ausgebildet ist, dass beim Überfahren der Referenzmarke (32) durch die Sensoren (102, 102') unterschiedliche analoge Signale von diesen abgegeben werden, indem
– sich...

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Längenmessvorrichtung.
II. Technischer Hintergrund
Angeordnet auf dem Umfang eines Zylinders, kann eine solche Längenmessvorrichtung natürlich grundsätzlich auch zur Winkelmessung verwendet werden.
Die Längenmessvorrichtung umfasst einerseits einen Maßstab, auf dem die Längeneinheiten aufgetragen sind, sowie eine Sensoreinheit, die in Messrichtung relativ zum Maßstab bewegt wird. In der Regel wird dabei registriert, wie viele Längeneinheiten bei dieser Relativbewegung seitens der Sensoreinheit zurückgelegt, also ganz oder teilweise überlaufen, wurden. Die Absolutposition am Ende der Relativbewegung kann nur unter Kenntnis der Startposition vor der Relativbewegung berechnet werden.
Zu diesem Zweck weist der gerade oder gekrümmte Maßstab nur in einer einzigen Spur oder in mehreren Spuren nebeneinander, in Messrichtung hintereinander jeweils Codierungen, meist gleichmäßige und periodische Codierungen, auf, wobei der Teilungsabstand von Spur zu Spur unterschiedlich ist. Zusätzlich ist entlang der Messstrecke, in der Regel meist nur an einer einzigen Längsposition, eine Referenzmarke vorhanden, deren Position die absolute Nulllage darstellt, und welche somit für eine Inbetriebsetzung der Vorrichtung zunächst einmal überfahren werden muss, um einen absoluten Startwert vorzugeben.
Daneben sind jedoch auch absolut messende Längenmessvorrichtungen bekannt. Dabei ist durch Auslegung der Maßstabseinteilungen und das Auswerteverfahren zum Beispiel durch nur einmaliges Aufsetzen des Sensors an einer beliebigen Stelle des Maßstabes unmittelbar die Absolutlage des Sensors auf dem Maßstab ermittelbar, ohne Relativverfahrung des Sensors gegenüber dem Maßstab und ohne zunächst erforderliches Anfahren eines Referenzpunktes auf dem Maßstab.
Unabhängig davon, ob es sich um ein inkrementales oder um ein absolutes Längenmesssystem handelt, umfasst die erfindungsgemäße Messvorrichtung einen oder mehrere oder eine Vielzahl von Magneten, die die Modulation des zu detektierenden Signales bewirken. Z. B. sind auf dem Maßstab die einzelnen Längeneinheiten in Form unterschiedlicher Magnete bzw. Magnetisierungen in Messrichtung hintereinander aufgetragen, beispielsweise als in Messrichtung jeweils gleich lange abwechselnd gepolte Segmente.
Die relativ dazu in Messrichtung bewegte Sensoreinheit, die neben dem eigentlichen Sensor in der Regel bereits wenigstens Teile der Auswerteelektronik enthält, detektiert das in Messrichtung sich ständig ändernde Magnetfeld als analoges Signal in Form einer Sinusschwingung bzw. einer sinusähnlichen, jedoch gleichmäßigen, Schwingung. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist die Tatsache, dass der Sensor im Abstand, also berührungslos, zu dem Maßstab geführt werden kann. Der Maßstab und auch der Sensor unterliegen damit keinem mechanischen Verschleiß. Zusätzlich muss auch die Parallelität der Führung des Sensor zu der Verlaufsrichtung des Maßstabes nur beschränkt gegeben sein.
Insbesondere darf sich der Abstand zwischen Sensor und Maßstab, der bei etwa 1,0 mm liegen soll, auch etwas ändern.
Dabei kann eine separate Referenz-Spur, die primär nur die (singuläre) Referenz Marke trägt, durch eine definierte Magnetisierung auch über den Rest ihrer Länge dazu beitragen, dass auch ein etwas größerer Abstand zwischen Sensor und Maßstab durch die Vorrichtung noch verkraftbar wird. Dies ist insbesondere möglich, indem die (analoge) Ausgangs-Spannung des Referenz-Sensors nicht mehr nach ihrer Amplitude, sondern nach ihrem Vorzeichen ausgewertet wird, zum Beispiel mittels eines Amplitudendiskriminators mit einer Schaltschwelle von 0 Volt oder dem Mittelwert der analogen Referenz-Spannung.
Die Elektronik zum Auswerten der Messsignale umfasst einerseits einen Wandler, um das periodische analoge Signal, etwa eine Sinusschwingung, in ein periodisches digitales Signal, beispielsweise ein Rechtecksignal, umzuwandeln.
Dabei muss eine Sinusschwingung nicht unbedingt einem Rechtecksignal entsprechen: da die Form des analogen Signales bekannt ist, kann durch genauere Auswertung des analogen Signales, beispielsweise den momentanen Absolutwert, die Relativposition in Messrichtung innerhalb einer Periode des analogen Signales ermittelt werden. Ein Interpolator, in der Regel in Form einer elektronischen Schaltung, beispielsweise aufgrund der vorbeschriebenen Methode, bewirkt, dass das erhaltene z. B. periodische digitale Signal kleinere Teilungsabstände aufweist als das z. B. periodische analoge Ausgangssignal, also die Auflösung des digitalen Signales wesentlich höher ist. Der Faktor der höheren Auflösung ist dabei am Interpolator einstellbar, und wenn der Interpolator in Form einer programmierbaren Schaltung vorliegt, mittels Umprogrammierung bzw. Neuprogrammierung einstellbar.
Meist ist der Wandeler dabei im Interpolator schaltungstechnisch und/oder körperlich integriert.
Ebenso können weitere Parameter, beispielsweise Korrekturfaktoren zur Korrektur der Kennlinien der Elektronik, Korrekturfaktoren zum Einstellen von Nullpunkt und/oder Verstärkung der Elektronik oder einzelner Baugruppen der Elektronik, Korrekturfaktoren zur Einstellung der Lage des Referenzpunktes innerhalb einer Teilung des Maßstabes ebenfalls am Interpolator eingestellt und insbesondere umprogrammiert werden.
Die Elektronik umfaßt auch eine Leitungstreiberschaltung, die wie üblich der Verbesserung der Übertragungsfähigkeit des Ausgabe-Signales dient, beispielsweise durch Verringern der Impedanzen.
Die Elektronik umfaßt weiterhin eine Schutzbeschaltung, die die gesamte Elektronik oder zumindest Teile davon vor zu hohen Spannungen und/oder zu hohen Strömen schützt, wie sie beispielsweise durch falsche Polung an der Ausgabeeinheit auftreten können.
In der Regel weist die Elektronik an ihren peripheren Verbindungen zur Umgebung in den Leiterbahnen innere Knotenpunkte auf, die mit den elektronischen Bauelementen der Elektronik verbunden sind, und äußere Knotenpunkte, die mit dem Anschlußkabel der Ausgabeeinheit, der Stromversorgung und allen weiteren von außen zugänglichen Kontaktpunkten, etwa der Kontaktiereinheit, zum Programmieren des Interpolators, verbunden sind.
Die Schutzbeschaltung befindet sich dabei zwischen den inneren und äußeren Knotenpunkten, und kann im vorliegenden Fall durchaus baulicher Bestandteil eines Spannungsreglers und/oder des Interpolators und/oder der Leitungstreiberschaltung sein.
Die Schutzbeschaltung, ein Teil der Schutzbeschaltung oder auch Spannungsregler, Interplator und Leitungstreiber können im Gehäuse des Anschlußsteckers (= Ausgabeeinheit) des Sensors untergebracht sein.
Die Schutzbeschaltung bewirkt ein Begrenzen der elektrischen Ströme in den Leitern zu und von der Elektronik sowie ein Ableiten zu hoher Spannungen in diesen Leitern, beispielsweise durch Verwendung strombegrenzender Impedanzen (Ohmsche Widerstände oder frequenzabhängig absorptiv durch Ferritdrosseln, frequenzabhängig reflektiv durch Induktivitäten oder stromabhängig durch PTC-Widerstände oder integriert als stromabhängige Begrenzung in der Ausgangsstufe des Leistungstreibers) und/oder spannungsbegrenzende Bauelemente (z. B. Kaptioden, insbesondere im Leitungstreiber integriert, Ableitdioden, Varistoren).
Denn von der Ausgangsseite, also über die Ausgabeeinheit, können unter Umständen leitungsgebundene Störspannungen über einen weiten Frequenz- und Amplitudenbereich eindringen und an die Sensoreinheit gelangen. Die Schutzbeschaltung schützt dabei mit ihren strom- und/oder spannungsbegrenzenden Bauelementen zum einen vor der Zerstörung von Teilen der Elektronik durch vor allem impulsförmige Ströme und/oder Überspannungen mit hohen Amplituden, und zum anderen schützt sie mit Hilfe der absorbtiv/reflektiv und frequenzabhängig filternden Bauelemente vor einer Störung der Meßgenauigkeit und Funktionssicherheit der Elektronik der Sensoreinheit durch vor allem hochfrequente Störspannungen. Ein weiterer Vorteil der Schutzbeschaltung ist auch darin zu sehen, daß anstelle von teuren geschirmten Kabeln auch einfachere und sogar ungeschirmte Kabel zum Einsatz kommen können.
Die Elektronik umfasst ferner eine Ausgabeeinheit, um dieses digitale und in der Regel hochauflösende, digitale Signal ausgeben zu können, sei es an eine Anzeigeeinheit, zum Beispiel eine Digitalanzeige, oder sei es zur Weiterverarbeitung an eine Maschinensteuerung.
In der Regel ist zu diesem Zweck an der Sensoreinheit ein Kabel fest angeordnet, an dessen Ende ein Stecker als Ausgabeeinheit angeordnet ist.
Um eine solche Messvorrichtung möglichst vielseitig an unterschiedlichsten Maschinen und Anlagen verwenden zu können, ist neben einer möglichst hohen Unempfindlichkeit gegenüber physikalischen und chemischen Einflussfaktoren auch eine möglichst geringe bauliche Abmessung sowohl des Maßstabes als auch der Sensoreinheit anzustreben.
Der Maßstab besteht dabei in der Regel aus einem Magnetband von 1–2 mm Dicke und ca. 1 cm Breite, welches flexibel ist und mittels selbstklebender Beschichtung oder Doppelklebeband direkt auf einer Maschine, aber auch auf einer eine ausreichende Ebenheit ermöglichenden Profilschiene aufgeklebt wird und als mechanischem Schutz mit einem Edelstahlblech, welches nicht magnetisierbar ist, abgedeckt ist.
Bei der Sensoreinheit kommt es vor allem auf geringe Baugröße an. Insbesondere sollte die Sensoreinheit nicht breiter sein als der Maßstab. Auch sollte die Sensoreinheit in Messrichtung nicht unbegrenzt über die Position des – in Messrichtung meist sehr kurzen, nur einige Millimeter langen eigentlichen Sensors – hinausragen, da dieser Überstand ja eine Überlänge des Maßstabes über die zu messende Strecke hinaus bedingt.
Dagegen ist die Ausdehnung der Sensoreinheit in Richtung lotrecht zur Ebene des Maßstabes hinaus weniger kritisch.
Dabei ist es üblich, die in der beweglichen Sensoreinheit angeordneten Teile, insbesondere die dort angeordneten Teile der Elektronik, durch ein umgebendes festes Gehäuse und/oder Eingießen in Kunststoff zu schützen.
Sofern der Faktor, um den das digitale Signal eine höhere Auflösung aufwies als das zugrundeliegende analoge Signal, also die Teilung des Maßstabes, nachträglich einstellbar, beispielsweise mittels Programmierung einstellbar, sein sollte, was insbesondere bei Verwendung ein- und derselben Längenmessvorrichtung für unterschiedliche Anwendungszwecke notwendig ist, war der entsprechende Interpolator bisher nicht innerhalb der beweglichen Sensoreinheit untergebracht, sondern als separate Baugruppe entfernt von der Sensoreinheit, so dass die von der Sensoreinheit erhaltenen Signale mittels Kabel und Stecker in diesem separaten Interpolator umgerechnet wurden.
Einer der Nachteile des Standes der Technik besteht darin, dass die Referenzspur über den wesentlichen Teil ihrer Länge unmagnetsiert oder einpolig homogen magnetisiert oder mit einer sehr kurzen regulären magnetischen Periode versehen ist, sodass der Referenzsensor diese Magnetisierungen als nicht magnetisiert oder als homogen magnetisiert auswertet und eine konstante Gleichspannung von Null (bei nicht magnetisierter Referenz-Spur) oder ungleich Null (bei ein polig homogener Magnetisierung) ausgibt.
An der Position der Referenzmarkierung wird die homogene Ausbildung der Referenzspur unterbrochen durch einen einzeln ausgebildeten magnetischen Pol oder auch durch eine Ausstanzung des magnetischen Materials an dieser Stelle ( DE 20011703 U1 ). Der Referenzsensor erzeugt an dieser Stelle ein singuläres analoges Signal, das durch Vorgabe einer Schaltschwelle ausgewertet wird.
Die Amplitudenhöhe des analogen Referenzsignals nimmt mit der Zunahme des Führungs-Abstandes (Abstand zwischen Sensor und Maßstab) stark ab und grenzt deshalb dessen Toleranzbereich stark ein. Dagegen sind die Sinus-/Cosinus-Signale des Positions-Sensors auf Grund der Auswertung entsprechend ihrem Größenverhältnis (Ratiometrische Auswertung) von Schwankungen der Amplitudenhöhe wenig abhängig. Der Führungs-Toleranzbereich des Sensorsystems wird also vor allem von der Amplituden-Abhängigkeit des Referenzsignals bestimmt.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht auch darin, daß hinsichtlich der Breite der mehreren nebeneinander liegenden Spuren des Maßstabes allein für eine Referenzmarke, wie etwa die Nullpunkt-Marke, eine separate Spur benötigt wird. Wenn also der Maßstab nur eine einzige Zähl-Spur mit in Meßrichtung zählbaren, detektierbaren Codierungen enthält, ist allein für die Referenzmarke eine zweite Spur und damit eine Verdoppelung der Breite des Maßstabes notwendig.
Eine solche Integration des Referenzsignales in die normale Zählspur zeigt die WO 88/06717 , siehe dort Anspruch 1. Zählimpulse und Referenzimpuls werden jedoch bei dieser ersten Bauform dieses Dokumentes (dortige 1 bis 5) durch zwei identische Sensoren in der Sensoreinheit erzeugt, wobei die unterschiedlichen Signale erst bei der Weiterverarbeitung der von den beiden identischen Sensoren abgegebenen zunächst auch identischen Signale erzeugt werden. Deshalb muss sich dort auch der Referenz-Impuls der Amplitudenhöhe von den Zählimpulsen unterscheiden.
Weiterhin wird angestrebt, dass der Referenzsensor über den gleichen Toleranzbereich des Führungsabstandes wie der Positionssensor zuverlässig arbeitet.
Weiterhin zeigt die DE 19800774 A1 eine Integration des Referenzsignales in die normale Referenzspur, jedoch werden dort primär die Auswertungsmöglichkeiten in qualitativer Hinsicht untersucht. Ein Hinweis, dass sich Positionssensor und Referenzsensor dabei über unterschiedliche Anzahlen von einzelnen Kodierungen des Maßstabes erstrecken, ist daraus nicht entnehmbar und ebenso wenig hinsichtlich des Herstellungsverfahrens ein Hinweis, dass das Anbringen der Referenzmarken erst nach dem Anbringen des Maßstabes am Anwendungsobjekt erfolgen soll.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Ausgehend von dieser Situation bestand die Aufgabe gemäß der Erfindung darin, eine Längenmessvorrichtung zu schaffen, die klein und kompakt und dennoch betriebssicher aufgebaut ist.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Weglassen einer separaten Referenzspur wird ermöglicht, indem die eine oder auch mehreren Referenzmarken in die normale Zählspur integriert werden. Die magnetische Codierung entlang der Zählspur weist ein nach irgendeinem Algorithmus regelmäßiges Muster auf:
Im Normalfall besteht der Maßstab aus jeweils gleich langen, aufeinander abfolgend jeweils um 180° abwechselnd magnetisierten Bereichen, deren Nord-Süd-Magnetisierungsachse quer zur Längsrichtung liegt, so dass entlang einer der Längskanten des Maßstabes abwechselnd immer ein Südpol und ein Nordpol einer solchen Codierung angeordnet ist.
Die Integration der Referenzmarke in die Zählspur erfolgt dadurch, daß diese regelmäßige Abfolge von Codierungen an einer Stelle durch eine unregelmäßige Abfolge ersetzt wird, also beispielsweise bei der vorbeschriebenen abwechselnden Nord-Süd-Anordnung zwei oder auch mehr gleiche Anordnungen hintereinander erfolgen.
Dies kann beispielsweise erzielt werden, indem bei einer abwechselnden Nord-Süd-Codierung nachträglich wenigstens eine, insbesondere genau eine, der magnetisierten Codierungen geändert wird, mit der Folge, daß in Längsrichtung an dieser Stelle dann wenigstens drei gleich orientierte Codierungen aufeinander folgen, also die Codierung eine gegenüber der normalen Länge dann wenigstens dreifache Länge aufweist.
Ein Sensor in der Sensoreinheit, der – aus Gründen der Meßgenauigkeit – in der Regel jede einzelne Codierung beim Überfahren erfassen soll, wird aufgrund dieser Unregelmäßigkeit normalerweise ein dem Meßergebnis schadendes, verändertes Signal abgeben.
Eine Lösung besteht darin, die Sensoreinheit so auszubilden, daß auch bei Anordnung der Referenzmarke innerhalb der Meßlänge die unregelmäßige Codierung an der Stelle der Referenzmarke nicht zu einem falschen Ergebnis führt.
Zu diesem Zweck kann entweder die Auswerteelektronik entsprechend ausgebildet sein, oder in der Sensoreinheit sind zum Abtasten der Zählspur, die auch die Referenzmarke enthält, außer dem Positionssensor, dessen Aufgabe die Zählung der durchlaufenden Codierungen des Maßstabes ist, ein separater Referenzsensor in Längsrichtung beabstandet zum Positionssensor und damit die gleiche Zählspur abtastend angeordnet.
Durch unterschiedliche Auslegung von Referenzsensor und Positionssensor kann erreicht werden, daß der Positionssensor beim Überlaufen der unregelmäßigen Codierung im Bereich der Referenzmarke dennoch normal weiterzählt entsprechend der zurückgelegten Weglänge, während der Referenzsensor die unregelmäßige Codierung als Referenzmarke erkennt und dementsprechend ein Referenzsignal abgibt.
Diese absolute Referenzierung kann entweder dem Zweck dienen, eine absolute Nullage auf dem Maßstab zu definieren oder das Ende des Meßbereiches des Maßstabes zu kennzeichnen, oder auch anderen Zwecken dienen.
Vorzugsweise wird im Zuge der Aufbereitung dieser Referenzsignale auch eine Führungs-Fehler-Erkennung verwirklicht, die ein spezifisches Warnsignal abgibt, wenn die Distanz zwischen Sensoreinheit und Maßstab zu groß wird und damit die zuverlässige Erkennung der Codierungen des Maßstabes durch die Sensoreinheit gefährdet wird.
Bei der unterschiedlichen Auslegung von Positionssensor und Referenzsensor besteht eine Möglichkeit darin, daß die beiden Sensoren jeweils unterschiedliche Längenbereiche des Maßstabes erfassen:
So kann beispielsweise der Referenzsensor nur die Länge einer einzigen Codierung des Maßstabs erfassen, während der Positionssensor eine Länge von z. B. vier solcher Codierungen abdeckt und auch erfaßt, und als analoges Signal einen Misch-Wert dieser z. B. 4 Codierungen ausgibt, z. B. deren Mittelwert ausgibt.
Beim Überlaufen einer Referenzmarkierung, die beispielsweise aus zwei hintereinander folgenden, gleichen Codierungen besteht, durch die Sensoreinheit, wird aufgrund der Mittelwertbildung das abgegebene analoge Signal über den gesamten Bereich der Referenzmarke die gleichbleibende, positive oder negative Orientierung bzw. Amplitude aufweisen. Mittels des nur eine einzelne Codierung erfassenden Referenzsensors ist es jedoch möglich, trotz des Fortschritts in Meßrichtung die mehrfach gleichbleibende Codierung festzustellen und damit die Referenzmarke als z. B. exakt in der Mitte zwischen den z. B. zwei aufeinanderfolgenden, gleichlautenden Codierungen des Maßstabes zu detektieren.
Sofern es sich bei der beschriebenen Markierung mit zwei aufeinander folgenden, gleichen Codierungen um eine Nullpunkt-Marke gehandelt hat, kann eine Maßstab-Ende-Marke verkörpert werden durch mehr als zwei hintereinander folgende, gleich lautende Codierungen des Maßstabes, insbesondere eine Anzahl von gleichen aufeinander folgenden Codierungen, die gleich oder größer ist als die Anzahl der vom Positionssensor abgedeckten bzw. gleichzeitig detektierten Codierungen.
Um bei Anordnung von Maßstab-Ende-Marken den Überstand im Maßstab gering halten zu können, können in der Sensoreinheit beidseits des Positionssensors, dabei wiederum in einem hierzu definierten, exakt bekannten Abstand, jeweils ein Referenzsensor angeordnet werden, so daß die Ende-Marke vor Erreichen durch den Positionssensor bereits vom Referenzsensor erkannt und damit die hiermit überwachte Maschine oder Baugruppe rechtzeitig gestoppt werden kann.
Insbesondere können Positionssensor und Referenzsensor auf dem gleichen Chip der Sensoreinheit angeordnet werden.
Um die unregelmäßige Codierungsfolge im Bereich der Referenzmarke zu erkennen, wird in der Regel eine logische Verknüpfung der Signale des Positionssensors und des Referenzsensors durchgeführt, entweder noch deren analoger Signale, beispielsweise durch Subtraktion der Signale von Referenzsensor und Positionssensor und anschließender Schwellwertauswertung, oder durch Vergleich deren binärer Signale durch eine logische Verknüpfung.
Bei Vorhandensein von mehr als einem Referenzsensor werden deren Ausgänge vorzugsweise parallel geschaltet, und dadurch ein Mittelwert als Ausgangssignal der beiden Referenzsensoren erzeugt. Insbesondere wenn davon das analoge Ausgangssignal des Positionssensors gewichtet abgezogen wird, entsteht hieraus bei Überlaufen von regulären Codierungsbereichen ein regelmäßiges, analoges, insbesondere sinusförmiges, Referenzsignal. Erst bei Überfahrt der Referenzmarke invertiert sich eines der Referenzsignale und damit auch deren Mittelwert, wodurch auch das analoge Endsignal beeinflußt wird.
Der Vorteil einer Unterbringung der Referenzmarke in der Zählspur, also den normalen Codierungen der Zählspur, besteht nicht nur in der schmaleren Ausbildung des Maßstabes und der Sensoreinheit, sondern auch in der nachträglichen Aufbringbarkeit der Referenzmarke:
So kann ein regelmäßig kodierter, insbesondere magnetisierter, Maßstab durch Ablängen von einem auf diese Art und Weise endlos hergestellten Band erhalten und auf dem gewünschten Bauteil, z. B. einer Maschine, positioniert und fixiert werden. Die Aufbringung der Referenzmarke erfolgt durch anschließende Ummagnetisierung wenigstens einer der magnetischen Codierungen auf dem Maßstab, mit einem gegenüber der Magnetisierung im Maßstab stärkeren Magnetisierungskopf, was beispielsweise auch ein starker Dauermagnet, etwa ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet, sein kann. Für die Festlegung der Referenzmarke kann auch die bereits an der zu überwachenden Maschine montierte Sensoreinheit benutzt werden, an der dieser Magnetisierungskopf befestigt werden kann und dann z. B. mit Hilfe der Steuerung der Maschine in eine Position verfahren werden kann, die z. B. mit dem programmierten Nullpunkt der Maschinensteuerung übereinstimmt. Auch eine nachträgliche Verlegung oder zusätzliche Aufbringung von Referenzmarken, sei es als Nullpunktmarken oder als Maßstab-Ende-Marken ist möglich, was beispielsweise dann notwendig wird, wenn sich der reguläre Arbeitsbereich der Maschine durch Umbauen oder Ausstatten mit zusätzlichen Maschinenkomponenten verändert.
Da der Referenzsensor nicht mehr eine homogen magnetisierte Spur, sondern eine periodisch abwechselnd magnetisierte Spur mit einer geeigneten magnetischen Periode auswertet, ist das analoge Referenzsignal nunmehr wie das Positionssignal ein Sinus-förmiges Signal mit positiv und negativ gleichen Amplituden symmetrisch zu seinem Mittelwert. Dabei ist von Vorteil, dass nicht die Amplitude, sondern die über einen weiten Amplitudenbereich auswertbare Phasenlage für die Auswertung ausschlaggebend ist. Dies stellt sicher, dass der Toleranzbereich für den Führungsabstand des Sensorsystems nicht mehr vornehmlich vom Referenzsensor eingeschränkt ist. Eine regulär magnetisierte Spur mit integrierter Referenz-Marke kann, wenn die Positions-Spur ungestört bleiben soll, auch als separate Referenz-Spur ausgeführt werden.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine Prinzipdarstellung von Sensoreinheit 2 und Maßstab 1 mit nur einer Spur,
2: die Stadien der Signalumwandlung bis zu einem binären Referenzsignal,
3: eine Prinzipdarstellung eines verlängerten Maßstabes und
4 und 5: beispielhafte Schaltungen zur Erzielung der gewünschten Ausgangssignale.
Die 1–5 betreffen Lösungen mit einem Maßstab 1, der außer der einen oder mehreren Zählspuren 16 keine zusätzliche Spur für Referenzmarken aufweist. Sofern mehrere Zählspuren nebeneinander benutzt werden, besitzen diese in der Regel unterschiedliche Teilung. In den folgenden Beispielen ist pro Maßstab jeweils nur von einer einzigen Spur 16 ausgegangen, deren reguläre magnetische Codierung in der in Meßrichtung 10 abwechselnden Anordnung von magnetisierten Segmenten, sogenannten Codierungen, besteht, deren von Nord nach Süd verlaufende Magnetisierungsachse quer zur Meßrichtung 10 und insbesondere auch quer zur Ebene des Maßstabes im Maßstab 1 verläuft, und wobei die reguläre Anordnung darin besteht, daß diese gleich langen Codierungen in Meßrichtung 10 jeweils mit umgekehrter Polung aufeinander folgen, so daß entlang einer Längskante des Maßstabes 1 immer ein Nordpol einer Codierung auf einen Südpol der nächsten Codierung und umgekehrt folgt.
1 zeigt dabei im Prinzip den Maßstab 1 und die darüber angeordnete Sensoreinheit 2 in einer Seitenansicht in ihrer Relativlage, so daß die Orientierung der einzelnen Codierungen bzw. Segmente 27a, 27b wie vorbeschrieben sichtbar ist.
In der Sensoreinheit 2 sind an oder in deren Frontfläche 15 einerseits der Positionssensor 102 und andererseits der Referenzsensor 102' angeordnet, die in Meßrichtung 10 um den Abstand L3, gemessen zwischen deren jeweiligen Symmetrieachsen, die lotrecht zur Maßstabebene verlaufen, beabstandet sind. Beide Sensoren sind über elektrische Leitungen mit dem Interpolator 9b verbunden, der sich in der Sensoreinheit 2 befindet und binäre Ausgangssignale A, B, Z, F abgibt, die über ein Kabel 14, welches von der Sensoreinheit 2 wegführt, einer weiterverarbeitenden Einheit, beispielsweise einer nicht dargestellten Ausgabeeinheit, zugeführt werden.
Die 2 zeigen die unterschiedlichen Stadien der Signalaufbereitung an der Stelle der Referenzmarke 32 eines Maßstabes 1, welche in zwei aufeinander folgenden, hinsichtlich zumindest ihrer Magnetisierungsrichtung und Orientierung identischen, aufeinander folgenden Segmenten 27a, 27b besteht.
Beim Überfahren der regelmäßig kodierten Bereiche des Maßstabes 1 erzeugt der Positionssensor 102 – wie in 1 angedeutet – zwei um z. B. 90° zueinander versetzte sinusartige Analogsignale, ein sogenanntes Sinussignal und ein sogenanntes Cosinussignal. Da der Positionssensor insgesamt vier Codierungen 27a, 27b, ... in Meßrichtung 10 überdeckt und gleichzeitig detektiert, werden diese Analogsignale, von denen beispielhaft das Sinussignal dargestellt ist, durch die unregelmäßige Codierung der Referenzmarke (Segmente 27a, 27b) kaum beeinflußt.
Die analogen Sinus- und Cosinussignale werden dem Interpolator 9b zugeführt, der aus diesem Signalpaar eine Impulsfolge digitaler, also binärer Signale in Form zweier um z. B. 90° versetzter binärer Ausgangssignale (z. B. Rechtecksignale), dem sogenannten A-Signal und B-Signal.
Bei 200facher Interpolation erzeugt also der Interpolator 200 Signalrechtecke bei z. B. dem A-Signal 29a pro einer einzigen Signalperiode des analogen Sinus- oder Cosinussignals. Zusätzlich erzeugt der Interpolator ein binäres Indexsignal I, welches ein relatives Indexsignal ist und innerhalb einer Periode des analogen Sinus- oder Cosinussignals, also innerhalb eines einzigen Segmentes z. B. 27b der Codierung nur ein einziges Mal auftritt und dessen Länge gleich oder einem Teil einer Periode des binären A- oder B-Signals ist.
In 2a ist nur das Indexsignal I der binären Ausgangssignale dargestellt.
Der Referenzsensor 102' tastet dagegen immer nur eine einzige Codierung z. B. 27a, in Meßrichtung 10 ab und erzeugt dadurch ein zunächst analoges Referenzsignal Za, welches die doppelte Länge gleicher magnetischer Codierung an der Referenzmarke 32 durch eine entsprechende zeitliche Länge der positiven oder negativen Amplitude wiedergibt.
Nach Umwandlung in ein digitales Referenzsignal Zd äußert sich dies an der entsprechenden Stelle in einem Rechtecksignal vergrößerter Länge gegenüber den Rechtecksignalen, die anstelle normaler regulärer Codierung entstehen.
Aus den binären Indexsignalen I und Referenzsignalen Zd entsteht durch logische UND-Verknüpfung das singuläre, binäre Referenzsignal Z in Form eines einzigen Rechteckimpulses an der Stelle der Referenzmarke 32.
Dagegen zeigt 2b die Erzielung des binären Referenzsignales Z, indem das analoge Sinussignal vom analogen Referenzsignal Za subtrahiert und das so erhaltene analoge Differenzsignal zum binären Referenzsignal Z digitalisiert wird.
2c zeigt die Erzielung eines singulären binären Referenzsignales Z mit einer Sensoreinheit 2, die – wie in 3 dargestellt – über zwei Referenzsensoren 102', 102'' verfügt, die sich im selben, definierten Abstand L3 in Meßrichtung 10 vor und hinter dem Positionssensor 102 in der Sensoreinheit 2 befinden.
Die von den beiden Referenzsensoren 102', 102'' erhaltenen analogen Referenzsignale Za1, von denen nur eines eine zeitliche Streckung einer Amplitude bei Erreichen einer der beiden Referenzmarkierungen 32 oder 32' aufweist, werden addiert und – nach Halbierung der Summe – davon ein definiertes Vielfaches des analogen Sinussignals subtrahiert. Hieraus ergibt sich wiederum ein analoges, singuläres Referenzsignal, wie in 2b dargestellt und nach Umwandlung in ein Binärsignal ein singuläres binäres Referenzsignal Z.
Sofern durch eine unregelmäßige Codierung auch keine geringfügige Veränderung des analogen Signals des Positionssensors hingenommen werden soll, besteht die Möglichkeit – wie in 3 dargestellt – die Referenzmarken 32 und/oder 32' außerhalb der für normale Meßvorgänge benötigten Meßlänge L1 in einem Überstand L2 anzuordnen, was jedoch die benötigte Gesamtlänge des Maßstabes 1 auf L1 + L2 bzw. L1 + 2 × L2 verlängert, je nachdem, ob an einem oder an beiden Enden Referenzmarken als Nullpunktmarke und/oder als Maßstab-Ende-Marke, von denen eine auch gleichzeitig eine Nullpunktmarke sein kann, benötigt werden.
Bei der Vorgehensweise gemäß 2c sind die beiden analogen Referenzsignale Za1 und Za2 nicht phasenverschoben, und aufgrund der Kenntnis des Abstandes L3 vom Positionssensor 102, insbesondere dessen Mitte, zu den beiden Referenzsensoren 102', 102'' um diesen Abstand L3 bereinigt. Dies bedeutet, daß die Phasenlage der Signale miteinander so verglichen wird, als ob sich Positionssensor und Referenzsensoren an der gleichen Längsposition innerhalb der Sensoreinheit befinden würden.
Bei der Vorgehensweise gemäß 2d wird – im Gegensatz zu 2a – ersichtlich, dass der Abstand L3 zwischen Positions- und Referenz-Sensor nicht notwendigerweise ein Vielfaches der Periodenlänge eines Sinus-Signals sein muss. Entsprechend ist das binäre Index-Signal I gegenüber dem analogen Sinusssignal, insbesondere dessen Null-Durchgang in die positive Richtung, um z. B. 225 Grad versetzt.
2e zeigt – zusätzlich zur Situation der 2a – rechts von der Referenzmarke 32 eine Maßstab-Ende-Marke 32', die aus so vielen hintereinander gleich orientierten Segmenten beziehungsweise Codierungen besteht, dass deren Länge größer ist als die Länge der vom Positionssensor überdeckten und gleichzeitig der detektierten Sinuswellen. In diesem Fall sind die Segmente innerhalb der Maßstab-Ende-Marke 32' in gleicher Weise magnetisiert wie innerhalb der Referenzmarke 32.
Da in Vorwärts-Richtung, also in Laufrichtung auf die Maßstab-Ende-Marke 32' zu, der Positionssensor 102 gegenüber dem Referenzsensor 102 zurückversetzt ist, endet das die Position wiedergebende analoge Sinus-Signal erst innerhalb der Marke 32' nach einigen Segmenten entsprechend des Abstandes L3, während das analoge Referenzsignal bereits ab dem tatsächlichen Beginn der Maßstab-Ende-Marke 32' einen bleibenden negativen Ausschlag beibehält, der gegen Ende der Maßstab-Ende-Marke 32 auf Null zurückfällt.
Entsprechend ergibt sich ein singuläres Referenzsignal ZF, welches an der Marke 32 ein gegenüber den sonstigen Rechteck-Signalen verlängertes Rechtecksignal aufweist und an der Stelle der Marke 32' ei demgegenüber nochmals verlängertes Rechteck-Signal, deren Länge annähernd der Länge der Maßstab-Ende-Marke 32' entspricht.
Damit entsteht durch Umwandlung des singulären Referenzsignals ZF in binäre Referenzsignale Z nur ein derartiges binäres Referenzsignal an der Stelle der Marke 32, dagegen mehrere hintereinander folgende binäre Signale im Bereich der Marke 32'.
Zusätzlich kann ein binäres Maßstab-Ende-Signal in Form eines Rechtecksignales direkt aus dem analogen Sinussignal des Positionssensors dergestalt erzeugt werden, dass das Rechtecksignal erst auftritt nach Abklingen der analogen Sinusschwingung, sodass neben dem primären Referenzsignal Z ein zweites Maßstab-Ende-Signal zu Kontrollzwecken zur Verfügung steht.
2f zeigt die Bildung des binären Referenzsignals ZF durch Bildung des Vorzeichens des analogen Referenzsgnals Za. Dies kann durch einen Schwellwert-Vergleich mit dem Mittelwert von Za erfolgen.
2g entspricht der Signalbildung bei einem Maßstab-Ende-Signal 32' der 2e, jedoch ohne eine in Laufrichtung vorhergehendende Referenz-Marke 32.
Die 4 und 5 zeigen beispielhafte Schaltungen zum Erzeugen der analogen Sinus- beziehungsweise Cosinus-Signale A, B sowie des absoluten, binären Referenz-Signals Z.
4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Bearbeitung der von der Sensoreinheit 2 erzeugten Ausgangssignale. Das Meßausgangssignal der Sensoreinheit 2 besteht aus einem Cosinus- und einem Sinussignal, die jeweils über eine Brückenschaltung und einen Verstärker dem Interpolator 9b zugeführt werden.
Dort wird ein analoges Referenzsignal Za' gebildet durch Subtraktion oder Addition des vom Referenz-Sensor 102' ausgegebenen analogen Signals Za und des vom Positionssensor 102 ausgegebenen analogen Sinus-Signals. Die Bildung eines binären Referenzsignals ZF durch Schwellwert-Vergleich und die logische Verknüpfung mit dem Indexsignal I erfolgen im Interpolator 9b, der das entstehende binäre singuläre Referenz-Signal Z neben den binären Positionssignalen A und B zur Weiterverarbeitung durch eine hier nicht gezeigte Zähleinheit über das Kabel ausgibt.
5a zeigt eine Schaltungsanordnung, mittels der ein Fehlersignal erzeugt werden kann, wenn der Abstand zwischen der Sensoreinheit und der Meßstrecke einen Sollwert überschreitet.
Die von der Sensoreinheit abgegebenen Sinus- und Cosinussignale werden wiederum über eine Brückenschaltung und einen Verstärker jeweils einem Quadrierer zugeführt, die ein Sinusquadrat- bzw. ein Cosinusquadrat-Signal abgeben, die über einen Addierer einem Schwellwertschalter zugeführt werden.
Im Normalfall ergibt die Addition aus Sinusquadrat und Cosinusquadrat ein Signal konstanter Amplitude, das bei Abweichung von einem Sollwert den Schwellwertschalter auslöst.
Dieselbe Schaltungsanordnung kann auch dazu verwendet werden, den Anfang oder das Ende der Meßstrecke zu definieren, wenn also noch kein oder kein Meßsignal mehr ausgelöst wird, so daß dadurch der Schwellwertschalter ausgelöst werden kann.
5b zeigt eine zu 5a in der Wirkung gleiche Schaltungsanordnung, bei der die Sinus- und Cosinussignale als Ausgangssignale der Sensoreinheit je einem Komparator zugeführt werden, der auf ein logisches ODER-Glied mit invertierendem Ausgang arbeitet. Erzeugt man z. B. pro Halbperiode des Sinus- und des Cosinussignals je ein Rechtecksignal, dann liegt bei richtigem Abstand zwischen Sensoreinheit und Meßstrecke zeitlich immer ein Rechteckimpuls vor. Bei größerem Abstand zwischen Sensoreinheit und Meßstrecke werden die Rechteckimpulse kürzer, bis schließlich Zeitperioden auftreten, in denen kein solcher Rechteckimpuls mehr vorliegt. Wenn dies geschieht, spricht das ODER-Glied an. Gleiches gilt selbstverständlich auch für den Anfang und das Ende der Meßstrecke.
Die Schaltung-Anordnungen zur Erzeugung eines Fehlers Signals nach 5a, b sind alternativ auch als Bestandteil des Interpolation-Schaltkreises 9b auf dem gleichen Halbleiter-Chip integriert.
Der BrückenWiderstand in der Brücken-Schaltung des Positionssensorelements, insbesondere gemäß den 5a, b, beträgt dabei mindestens 3 kOhm, vorzugsweise mindestens 10 kOhm, vorzugsweise mindestens 100 kOhm, vorzugsweise mindestens 1000 kOhm, wobei die Brücken-Spannung vorzugsweise wenigstens 1,5 V, vorzugsweise mindestens 3,3 V, vorzugsweise mindestens 5 V beträgt.
Bei einem hohen Brücken-Widerstand und niedriger Versorgungsspannung ergibt sich der Vorteil, dass auf Grund des niedrigen Stromverbrauches das gesamte Gerät mittels Batterie betrieben werden kann.
Bei einem niedrigen Brückenwiderstand und hoher Versorgungs-Spannung besteht dagegen der Vorteil darin, dass die Anordnung robust gegen elektromagnetische Stör-Beeinflussung ist.

Claims

Längenmessvorrichtung mit – einem Maßstab (1), der in Messrichtung (10) regelmäßig, insbesondere abwechselnd codiert ist, – einer Sensoreinheit (2), die in Messrichtung (10) relativ zum Maßstab (1) bewegbar ist und wenigstens einen Sensor zum berührungslosen Detektieren von magnetisch modulierten analogen Signalen umfasst, – einer Elektronik (9) zum Auswerten der Signale des wenigstens einen Sensors, – die Sensoreinheit (2) wenigstens einen Positionssensor (102) und einen Referenzsensor (102') zum berührungslosen Detektieren von magnetisch modulierten analogen Signalen umfasst, wobei die Sensoren (102, 102') in Messrichtung (10) hintereinander in einem definierten Sensor-Abstand (L3) zueinander angeordnet sind, – der Maßstab (1) die Referenzmarke (32) in seiner in Messrichtung (10) definiert regulär codierten Zähl-Spur (16) integriert hat, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensoreinheit (2) so ausgebildet ist, dass beim Überfahren der Referenzmarke (32) durch die Sensoren (102, 102') unterschiedliche analoge Signale von diesen abgegeben werden, indem – sich Positionssensor (102) und Referenzsensor (102') über unterschiedliche Anzahlen von einzelnen Codierungen des Maßstabes (1) in Messrichtung (10) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (9) wenigstens – einen Interpolator (9b) zum einstellbaren Unterteilen der Teilungs-Abstände des digitalen Signals gegenüber derjenigen des analogen Signals um einen vielfachen Faktor und – eine Leitungstreiberschaltung (9d) zum Verbessern der Übertragungsfähigkeit des digitalen Signals, und – eine Ausgabeeinheit (9c) zum Ausgeben der vom Interpolator (9b) abgegebenen digitalen Signale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Referenzsensor (102') nur über die Länge einer einzigen Codierung erstreckt und der Positionssensor (102) sich über die Länge von vier Codierungen erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (1) gleich lange Codierungen in Form von quer zur Messrichtung (10) liegenden einzelnen Magnetisierungen aufweist, die in Messrichtung (10) hintereinander abwechselnd den Nordpol oder den Südpol der einen Längskante des Maßstabes (1) zugeordnet aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarke (32) eine Nullpunkt-Marke ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarke (32', 32'') eine Maßstab-End-Marke ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzmarke (32, 32', 32'') in der abwechselnden Abfolge von gegensätzlich orientierten magnetischen Codierungen eine Codierung um 180° gegensätzlich zu ihrer in der regelmäßigen Abfolge vorkommenden Soll-Codierung codiert ist, also eine ungerade Anzahl, insbesondere drei, hintereinander abfolgende gleich orientierte Codierungen auf dem Maßstab (1) vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzmarke (32, 32', 32'') in der abwechselnden Abfolge von gegensätzlich orientierten magnetischen Codierungen eine gerade Anzahl, insbesondere von zwei, hintereinander abfolgend gleich orientierten Codierungen auf dem Maßstab (1) vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Positionssensors (102) eine Mittelwertbildung über mehrere aufeinander folgende Codierungen hinweg beinhaltet und die durch die Referenzmarke (32) bewirkte Unregelmäßigkeit in der Abfolge von Codierungen dadurch in ihrem Einfluss auf das abgegebene analoge Signal des Positionssensors (102) so gering ist, dass das aus diesem analogen Signal abgeleitete binäre Signal, insbesondere Rechtecksignal (29a, 29b), sich auch im Bereich der Referenzmarke (32) unverändert fortsetzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (2) sowohl in positiver als auch in negativer Messrichtung (10) im selben Abstand (L3) vom Positionssensor (102) jeweils einen Referenzsensor (102') aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßstab-Ende-Markierung eine Anzahl von gleich orientierten Codierungen hintereinander umfasst, die größer ist als die Anzahl gleich orientierter Codierungen bei der Nullpunkt-Marke.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere einen Quadratsummenbildner oder einen Betragsdiskriminator und eine logische Verknüpfung der binären Teilsignale des Positionssensors (102) umfasst.
Verfahren zum Herstellen und Montieren einer Längenmessvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (1) erzeugt wird durch – Ablängen eines endlos magnetisch kodierten Maßstabes (1) mit abwechselnder magnetischer Periodizität, – Anbringen des Maßstabes (1) an einem Anwendungsobjekt – danach Aufbringen einer oder mehrerer Referenzmarken (32, 32', 32''') durch Überschreiben wenigstens einer der magnetischen Codierungen durch eine andere magnetische Codierung, wobei – das Aufbringen mittels eines Magnetisierungskopfes erfolgt, der in definierter Relativlage zur Sensoreinheit (2) befestigt ist, die in Messrichtung (10) entlang des Maßstabes (1) verfahrbar angeordnet ist, welche dabei bereits ebenfalls am Anwendungsobjekt befestigt ist.