DE102006017865A1 - Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjekts - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjekts Download PDFInfo
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Abstract
Eine
Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjektes
besteht aus einer mit dem Messobjekt gekoppelten Maßverkörperung
(10) und einem die Maßverkörperung
(10) abtastenden Sensorkopf. Die Maßverkörperung (10) ist aus in Messrichtung
lückenlos
aneinander anschließenden
Teilbereichen (4) zusammengesetzt, die jeweils eine absolut codierte
Messstrecke bilden. Jedem Teilbereich (4) ist wenigstens eine permanent-magnetische
Markierung (5) zugeordnet. Der Sensorkopf (8) weist eine die Absolutcodierung
(1.1, 1.2) der Teilbereiche (4) lesende Abtasteinheit (2) auf und
einen Sensor (6) mit wenigstens einem durch die permanentmagnetischen
Markierungen (5) beeinflussten Impulsdraht (7). Die Ummagnetisierungen
des Impulsdrahtes (7) werden richtungsabhängig in einem Zähler mit
einem nicht flüchtigen
Speicher gezählt.
Description
- Um die Position eines rotativ oder linear bewegten Messobjektes absolut zu messen, wird mit dem Messobjekt eine Maßverkörperung gekoppelt, die durch einen Sensorkopf abgetastet wird. Die Maßverkörperung kann eine absolute Codierung aufweisen, so dass jederzeit die Position als absoluter Wert erfasst und verarbeitet werden kann. Eine solche absolute Codierung erfordert eine umso größere Anzahl von Code-Spuren, je länger der zu messende Weg und je höher die Auflösung der Messung werden. Im Hinblick auf dieses Problem ist es bekannt, die Maßverkörperung aus in Messrichtung lückenlos aneinander anschließenden Teilbereichen zusammenzusetzen. Die Teilbereiche bilden dabei jeweils eine absolut codierte Messstrecke, deren Absolutcodierung durch eine Abtasteinheit gelesen wird. Bei einer rotativen Maßverkörperung kann die Messstrecke beispielsweise eine Umdrehung einer absolut codierten Scheibe sein, während bei einer linearen Maßverkörperung übereinstimmende absolut codierte Teilbereiche linear aneinandergefügt werden. Die Absolutposition wird jeweils innerhalb des jeweiligen Teilbereiches durch die Abtasteinheit erfasst. Die Position des jeweiligen Teilbereiches in der gesamten Messstrecke wird bei einem rotativen Messsystem durch die Erfassung der Anzahl der Umdrehungen der Codescheibe und bei einem linearen Messsystem durch Zählen der Teilbereiche erfasst. Dabei ist es bekannt (z.B.
DE 34 26 863 A1 ), die Teilbereiche inkremental zu zählen. Hierbei geht allerdings der inkremental gezählte Wert bei einem Abschalten der Messvorrichtung verloren. Es ist deshalb sowohl bei rotativen Messsystemen (z.B.DE 37 34 938 C2 ) als auch bei linearen Messsystem (z.B.DE 100 56 448 B4 ) bekannt, die Anzahl der durchlaufenen Teilbereiche mittels einer über ein Untersetzungsgetriebe nachgeschalteten absolut codierten Winkelmessung zu erfassen. Dies erfordert allerdings eine mechanische Untersetzung und eine absolut codierte Winkelerfassung, die insbesondere bei größeren Messlängen aufwendig werden. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjektes zu schaffen, die bei unveränderter Messauflösung auch große Messlängen ohne erhöhten Aufwand erfassen kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
- Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mit dem Messobjekt gekoppelte Maßverkörperung aus einzelnen Teilbereichen zusammengesetzt, die sich in der Messrichtung lückenlos aneinander anschließen. Diese Teilbereiche bilden jeweils eine absolut codierte Messstrecke, wobei die einzelnen Messstrecken und ihre Codierung übereinstimmen. Jedem Teilbereich ist eine Markierung zugeordnet, die durch einen Permanentmagneten gebildet ist. Die absolute Codierung der Teilbereiche wird in an sich bekannter Weise durch eine Abtasteinheit gelesen. Die Anzahl der von der Maßverkörperung durchlaufenen Teilbereiche wird durch einen Sensor erfasst, der wenigstens einen durch die permanentmagnetischen Markierungen beeinflussten Impulsdraht (Wiegand-Draht) aufweist. Die Ummagnetisierung dieses Impulsdrahtes beim Durchlaufen der permanentmagnetischen Mar kierung wird richtungsabhängig erfasst und in einem Zähler je nach Durchlaufrichtung aufwärts oder abwärts gezählt. Der Zähler ist mit einem nicht flüchtigen Speicher ausgestattet.
- Die Vorrichtung kann innerhalb jedes Teilbereiches die Position der Maßverkörperung absolut messen. Da die Teilbereiche nur eine relativ geringe Länge aufweisen müssen, kann eine hohe Messauflösung innerhalb der Teilbereiche mit einer geringen Anzahl von Code-Spuren erreicht werden. Es kann eine nahezu beliebige Anzahl von Teilbereichen aneinandergefügt werden, so dass eine nahezu beliebige Messlänge mit dieser hohen Messauflösung erfasst werden kann, ohne dass hierzu die Anzahl der Code-Spuren und der Aufwand für die Abtasteinheit erhöht werden müssen. Die Zählung der Teilbereiche erfolgt in einfacher Weise über einen Impulsdraht-Sensor, wie er z.B. aus der
DE 102 59 223 B3 bekannt ist. Unabhängig von der Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung der Maßverkörperung gibt der Zähler stets die Position des jeweiligen Teilbereiches in der gesamten Maßverkörperung an, so dass aus diesem Zählerstand und der absoluten Codierung des jeweiligen Teilbereiches ein absoluter Positionswert mit hoher Auflösung bei beliebiger Messlänge erhalten werden kann. Der jeweilige Zählerstand wird in einem nicht flüchtigen Speicher gespeichert, so dass auch bei einem Abschalten der Vorrichtung dieser absolute Positionswert bei Wiedereinschalten sofort zur Verfügung steht. - In einer vorteilhaften Ausführung sind die Abtasteinheit, die die Absolutcodierung der Teilbereiche liest, und der Sensor zur Erfassung der permanentmagnetischen Markierungen in einem gemeinsamen Sensorkopf angeordnet. Damit ergibt sich ein kompakter Aufbau, was insbesondere deshalb von Vorteil ist, weil dieser Sensorkopf nicht von der Maßverkörperung getrennt wer den darf, um die Zuordnung der in dem Zähler gespeicherten Teilbereichsposition nicht zu verlieren.
- Weiter ist es von Vorteil, wenn der Zähler und dessen Speicher zumindest hilfsweise durch die Energie der Ummagnetisierungspulse des Impulsdrahtes gespeist werden. Dadurch ist die Zählung und Positionserfassung der Teilbereiche von einer externen Energieversorgung unabhängig. Auch eine Bewegung der Maßverkörperung, z.B. eines Maschinenteils, mit welchem die Maßverkörperung gekoppelt ist, bei abgeschalteter Vorrichtung oder bei Ausfall der Stromversorgung wird durch den Zähler erfasst und gespeichert, so dass auch in einem solchen Falle bei Wiedereinschalten der Vorrichtung der exakte absolute Positionswert zur Verfügung steht.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
-
1 schematisch einen Vergleich einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und -
2 unterschiedliche Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. -
1 zeigt schematisch zur Erläuterung eine Maßverkörperung10 für eine absolute Positionsmessung nach dem Stand der Technik (1a ) und gemäß der Erfindung (1b ). Die beiden Maßverkörperungen10 weisen dieselbe Länge und dieselbe Messauflösung auf. - Nach dem in
1a dargestellten Stand der Technik weist die Maßverkörperung10 Code-Spuren1.1 ,1.2 ,1.3 usw. auf. Die Messauflösung wird durch die Code-Spur1.1 mit der feinsten Teilung bestimmt. Um einen absoluten Messwert über die gesamte Länge der Maßverkörperung10 zu erhalten, sind in diesem Beispiel sechs Code-Spuren1.1 ,1.2 bis1.6 notwendig. Diese Code-Spuren1.1 bis1.6 werden durch eine Abtasteinheit2 abgetastet, die entsprechend für jede der Code-Spuren1.1 ,1.2 ...1.6 einen Sensor3.1 ,3.2 bis3.6 benötigt. - Bei der erfindungsgemäßen Maßverkörperung
10 , die in1b gezeigt ist, wird dieselbe Messauflösung mit der Spur1.1 mit der feinsten Teilung erreicht. Es sind jedoch für die Bestimmung einer absoluten Position nur einige wenige Code-Spuren erforderlich, im dargestellten Beispiel nur zwei Code-Spuren1.1 und1.2 . Diese Code-Spuren1.1 und1.2 werden durch eine Abtasteinheit2 abgetastet, die auch nur eine dieser Anzahl der Code-Spuren1.1 ,1.2 entsprechende geringe Anzahl von Sensoren3.1 und3.2 aufweist. Mit diesen Code-Spuren1.1 ,1.2 und der entsprechenden Abtasteinheit2 wird ein absoluter Positionswert nur innerhalb eines Teilbereichs4 ermittelt. In den aufeinanderfolgenden Teilbereichen4 wiederholen sich die absoluten Positionswerte der Spuren1.1 und1.2 zyklisch. Jedem dieser Teilbereiche4 ist eine permanentmagnetische Markierung5 zugeordnet. Die permanentmagnetische Markierung5 kann beispielsweise aus einem an der Maßverkörperung10 angebrachten Permanentmagneten bestehen. Die permanentmagnetische Markierungen können beispielsweise jeweils an dem Übergang von einem Teilbereich4 zum anschließenden Teilbereich4 angeordnet sein. Vorzugsweise ist die permanentmagnetische Markierung5 als magnetischer Dipol ausgebildet, der in der Richtung der Maßverkörperung10 ausgerichtet ist. Die permanentmagnetischen Markierungen5 werden durch einen Sensor6 abgetastet, der wenigstens einen Impulsdraht7 aufweist. Der Impulsdraht7 (auch Wiegand-Draht genannt) ist vorzugsweise parallel zu dem Dipol der permanentmagnetischen Markierung5 , d.h. in Längsrichtung der Maßverkörperung10 angeordnet. - Bewegen sich der Sensor
6 und die Maßverkörperung10 relativ zueinander in Längsrichtung der Maßverkörperung10 , so bewegen sich die permanentmagnetischen Markierungen5 und der Impulsdraht7 des Sensors6 aneinander vorbei, wodurch in dem Impulsdraht7 ein Ummagnetisierungsimpuls erzeugt wird, dessen Polarität davon abhängt, ob sich die Markierung5 und der Impulsdraht7 von rechts nach links oder von links nach rechts aneinander vorbei bewegen. Die in dem Impulsdraht7 erzeugten Ummagnetisierungspulse werden in einem Zähler gezählt, wobei der Zähler diese Ummagnetisierungsimpulse je nach Durchlaufrichtung der Markierung5 aufwärts oder abwärts zählt. Von einem anfänglichen gesetzten Referenzwert ausgehend gibt der Zählerstand des Zählers somit den Teilbereich4 an, an welchem sich die Abtasteinheit2 befindet, so dass sich aus dem Zählerwert und der von der Abtasteinheit2 ausgelesenen Absolut-Code-Wert ein absoluter Positionswert über die gesamte Länge der Maßverkörperung10 ergibt. - Die Abtasteinheit
2 und der Sensor6 sind in einem gemeinsamen Sensorkopf8 angeordnet, so dass sich eine eindeutige Zuordnung zwischen der Abtasteinheit2 und dem von dieser Abtasteinheit2 ausgelesene Absolut-Code-Wert und dem von dem Sensor6 gezählten Teilbereich4 ergibt. - Der Zähler weist einen nicht flüchtigen Speicher auf, so dass der jeweilige Zählerstand auch bei einem Ausfall der Stromversorgung oder einem Abschalten der Vorrichtung erhalten bleibt. Vorzugsweise sind auch der Zähler und dessen Speicher in dem Sensorkopf
8 aufgenommen, so dass sich eine kompakte Ausführung ergibt. - In einer bevorzugten Ausführung wird die Energie der Ummagnetisierungspulse des Impulsdrahtes
7 in dem Sensorkopf8 gespeichert, so dass bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. bei einem Abschalten der Vorrichtung eine Mindestenergie zur Verfügung steht, um den Zähler und den Speicher zu betreiben. Dadurch werden auch Zählimpulse erfasst und gespeichert, wenn der Sensorkopf8 und die Maßverkörperung bei abgeschalteter Stromversorgung gegeneinander bewegt werden. -
2 zeigt, dass die Vorrichtung sowohl für rotative als auch für lineare Messsysteme verwendet werden können. Bei rotativen Messsystemen kann die Maßverkörperung10 als Kreisscheibe ausgebildet sein. Hat diese Kreisscheibe einen kleinen Durchmesser, wie dies in2a dargestellt ist, so kann der gesamte Kreisumfang der Maßverkörperung10 einen Teilbereich4 bilden. Es ist in diesem Falle nur eine permanentmagnetische Markierung5 vorgesehen, durch welche die Anzahl der Umdrehungen der Maßverkörperung10 gezählt wird. Ist bei einem rotatorischen System der Durchmesser der kreisförmigen Maßverkörperung10 größer, wie dies in2b dargestellt ist, so kann es vorteilhaft sein, den gesamten Kreisumfang der Maßverkörperung10 in mehrere Teilbereiche mit jeweils zugeordneten Markierungen5 zu unterteilen. Bei einem linearen Messsystem10 , wie es2c zeigt, wird in jedem Falle eine lineare Aneinanderfügung von Teilbereichen4 verwendet, wie dies auch in1b gezeigt ist. -
- 1
- Code-Spuren
- 2
- Abtasteinheit
- 3
- Sensoren
- 4
- Teilbereiche
- 5
- permanentmagnetische Markierung
- 6
- Sensor
- 7
- Impulsdraht
- 8
- Sensorkraft
- 10
- Maßverkörperung
Claims (3)
- Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjektes, mit einer mit dem Messobjekt gekoppelten Maßverkörperung (
10 ) und einem die Maßverkörperung (10 ) abtastenden Sensorkopf (8 ), wobei die Maßverkörperung (10 ) aus in Messrichtung lückenlos aneinander anschließenden Teilbereichen (4 ) zusammengesetzt ist, wobei die Teilbereiche (4 ) jeweils eine absolut codierte Messstrecke bilden, wobei jedem Teilbereich (4 ) wenigstens eine Markierung (5 ) zugeordnet ist und wobei der Sensorkopf (8 ) eine die Absolutcodierung (1.1 ,1.2 .....) der Teilbereiche (4 ) lesende Abtasteinheit (2 ) und wenigstens einen die Markierung (5 ) erfassenden Sensor (6 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen wenigstens eine permanentmagnetische Markierung (5 ) aufweisen, dass der Sensor (6 ) wenigstens einen durch die permanentmagnetische Markierungen (5 ) beeinflussten Impulsdraht (7 ) aufweist, dessen Ummagnetisierung detektiert wird, und dass die Ummagnetisierungen des Impulsdrahtes (7 ) richtungsabhängig aufwärts oder abwärts in einem Zähler gezählt werden, der einen nicht flüchtigen Speicher aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler und der Speicher in dem Sensorkopf (
8 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Ummagnetisierungspulse des Impulsdrahtes (
7 ) zur Energieversorgung des Zählers und des Speichers verwendet wird.
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