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Die
Erfindung betrifft eine Längenmeßeinrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
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Derartige
Längenmeßeinrichtungen
werden eingesetzt z.B. in Maschinen, Aufzügen, Kränen und dergl. in denen die
Maschinenteile vorgegebene Fahrstrecken zurücklegen müssen und dabei die zurückgelegte
Fahrstrecke bzw. gegenwärtige
Position zum Zwecke der Kontrolle, Steuerung oder Regelung der Fahrbewegung
jederzeit als optisches oder elektronisches Signal abrufbar sein
muß. Hierzu
ist der fahrbare Maschinenteil mit einem Meß- Schlitten verbunden, weicher
berührungslos,
jedoch in dichtem Abstand an einem Signal- gebenden Meßband entlang
fährt.
Dieses Meßband
ist entlang der Fahrstrecke ortsfest aufgespannt und bildet die
Meß- Strecke. Es
sind Meßbänder entwickelt
worden, welche als Flachbänder
ausgebildet sind, die in regelmäßigen Abständen unterschiedlich
magnetisierbar sind, wobei die Polachsen im wesentlichen senkrecht
zur Oberfläche
des Meßbandes
ausgerichtet sind. Dadurch ist das Magnetband in eine Kette von
Polfeldern identischer Polfeldlänge – gemessen
in Fahrtrichtung bzw. Richtung der Meß- Strecke – unterteilt. Zum Abtasten
derartiger magnetisierter Meßbänder eignen
sich Magnet-empfindliche Sensoren und insbesondere Hall- Sensoren.
Bereits gelieferte Längenmeßeinrichtungen
weisen analog messende Hall- Sensoren mit analogem Ausgangssignal
auf. Diese analogen Hall- Sensoren eignen sich zur Längenmessung,
bezogen auf den Ausgangspunkt der Fahrbewegung, wobei durch die
analogen Hall- Sensoren die während
der Fahrbewegung anschwellenden und abschwellenden Signale der von
dem Meß- Schlitten überfahrenen
Polfelder ausgewertet werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist, die Längenmeßeinrichtung
so auszugestalten, daß jederzeit
die absolute Position des Meß-
Schlittens, bezogen auf den Null-Punkt der Meß- Strecke mit einer vorbestimmten,
für den
Einsatzzweck hinreichenden Genauigkeit ermittelt werden kann und
optisch oder elektronisch abrufbar ist; dabei sollen Hall- Sensoren
mit digitalen Ausgangssignalen verwendbar sein, da sie nicht nur preisgünstiger,
sondern auch robuster und zuverlässiger
als analoge Hall-Sensoren
sind.
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Die
Lösung
hat folgende Vorteile:
- – Es kann nicht nur die Länge der
zurückgelegten Strecke,
sondern auch die absolute Position, bezogen auf den Null-Punkt der
Meß- Strecke
ermittelt werden.
- – Die
Positionsbestimmung ist mit großer,
im voraus festgelegter Genauigkeit möglich, indem die Meß- Strecke,
die Polfeldlänge
und die Abtastlänge
auf die gewünschte
Genauigkeit abgestimmt werden. Dadurch läßt sich eine Auflösung der Messung
auf 1 mm Genauigkeit und weniger erreichen.
- – Die
Längenmessung
und Positionsbestimmung ist eindeutig.
- – Bei
der Positionsbestimmung kann nicht nur das Zentrum jedes einzelnen
Polfeldes bzw. der Abstand der Zentren für die Genauigkeit der Positionsbestimmung
ausgewertet werden; insbesondere durch das Merkmale 1.2.1 sowie
1.3.2, nach welchen für
die Abtastung aller Polfelder jeweils drei Sensoren verantwortlich
sind, wird auch der seitliche Versatz des Meß- Schlittens zu den Zentren
der Polfelder ermittelt.
- – Es
wird weiter dem Umstand Rechnung getragen, daß digitale Hall- Sensoren eine
Magnet-Empfindlichkeit nur gegenüber
einer Art der Magnetpole, Nordpol oder Südpol, nicht jedoch gegenüber beiden
Polungen besitzen und ferner, daß Hall- Sensoren auf den Grenzen
zwischen zwei benachbarten Polfeldern (Polgrenzen) unabhängig von
der Polung der benachbarten Felder gar kein Signal abgeben, so daß die Position
der Hall- Sensoren in diesem Grenzbereich undefiniert ist.
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Durch
die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird erreicht, daß auch bei
seitlichem Versatz einer aktuellen Position des Meß- Schlittens relativ
zu den Zentren der Polfelder ein eindeutiges Polfeldsignal für jedes
Polfeld erzeugt wird; mit anderen Worten:
Wenn auf der Abtaststrecke
in jeder Gruppe von jeweils drei Sensoren alle drei Sensoren dasselbe
Polfeldsignal abgeben, ist dies ein Zeichen dafür, daß in der aktuellen Position
des Meßschlittens
die Gruppen von jeweils drei Sensoren deckungsgleich über jeweils
einem Polfeld des Meßbandes
stehen. Folglich wird dieses Polfeldsignal in dem Rechner zu dem Positionscode
für die
gegenwärtige
Position zusammengestellt.
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Wenn
dagegen in einigen Gruppen von jeweils drei Sensoren der jeweils
erste Sensor ein anderes Signal abgibt als die beiden anderen Sensoren,
ist dies ein Zeichen dafür,
daß in
der aktuellen Position des Meßschlittens
die Gruppen von jeweils drei Sensoren nur teilweise über jeweils
einem Polfeld des Meßbandes
stehen, mit dem ersten Sensor der jeweiligen Gruppe jedoch das Nachbar – Polfeld überlappen.
In diesem Falle wird das übereinstimmende
Signal der beiden anderen Sensoren als Polfeldsignal zur Ermittlung
des Positionscodes der aktuellen Position ausgewertet, während weiterhin
eine Korrektur des Positionssignalen, welches dem ermittelten Positionscode
entsprechen würde,
erfolgt.
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Bei
dieser Korrektur wird -wie folgt- verfahren:
Wenn sämtliche
ersten Sensoren sämtlicher
Sensorgruppen kein Signal abgeben, so ist dies der Hinweis, daß die jeweils
ersten Sensoren auf den Polgrenzen stehen und kein Signal empfangen.
Es erfolgt dann eine Korrektur der aufgrund des Positionscode ermittelten
Position des Meß-
Schlittens um ½ der
Sensorteilung (=Abstand der Mittelpunkte der benachbarten Sensoren
in Meßrichtung).
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Wenn
dagegen die Signale der ersten Sensoren zwar in einigen Fällen anders
als die der beiden anderen der jeweiligen Gruppe, jedoch auch unter
einander unterschiedlich sind, so ist dies ein Zeichen dafür, daß der jeweils
erste Sensor jeder Gruppe das benachbarte Polfeld mit einer ganzen
Sensorteilung überdeckt;
es erfolgt sodann eine Korrektur der aufgrund des Positionscode
ermittelten Position um eine ganze Sensorteilung in Richtung des
ersten Sensors relativ zu den beiden anderen Sensoren der jeweiligen
Gruppen.
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Ein ähnliches
Auswertverfahren findet nach Anspruch 3 statt, so daß die vorstehenden
Ausführungen
im Wesentlichen auch für
die Weiterbildung nach Anspruch 3 gelten mit der Ausnahme, daß hier für jede Position
des Meßschlittens
drei Codenummern gebildet werden, die sodann hinsichtlich der beiden übereinstimmenden
Codenummern als Positionscode und hinsichtlich der abweichenden
Codenummer zur Korrektur gewertet werden; daher ist auch hier feststellbar,
ob und wie stark in der aktuellen Position des Meßschlittens
eine Überdeckung bzw. Überlappung
der Sensorgruppen und der Polfelder vorliegt.
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Die
Erfindung kann auch mit analogen Hall- Sensoren ausgeführt werden
und hat insofern den Vorteil, daß eine absolute und eindeutige
Positionsbestimmung ermöglicht
wird. Da jedoch nur digitale Ausgangssignale nötig werden, ist der Einsatz
digitaler Hall- Sensoren vorteilhaft (Anspruch 4).
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Wie
bereits ausgeführt,
wird die Genauigkeit der Messung auch durch die Polfeldlänge bestimmt. Je
kleiner die Polfeldlänge,
desto höher
die Genauigkeit. Andererseits besitzen die Sensoren jedoch in Meß- Richtung
eine gewisse Baulänge.
Durch Anspruch 7 wird eine Weiterbildung angegeben, bei der die
Baulänge
der Sensoren nicht die Sensorteilung, d.h. den Abstand zwischen
den Mittelachsen von zwei benachbarten Sensoren begrenzt. Die Sensorteilung
kann frei gewählt
werden, ohne daß hierdurch die
Polfeldlänge
begrenzt wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. 1 zeigt
einen Maschinenteil 1 einer im übrigen nicht dargestellten
Maschine. Dieses Maschinenteil ist längs einer Meß- Strecke 3 geradlinig
beweglich und weist hierzu eine Führungsstange 2 auf
und einen nicht dargestellten Antriebsmotor.
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An
dem Maschinenteil 1 ist ein Meß- Schlitten 4 befestigt.
Bei der Fahrbewegung des Maschinenteil 1 bewegt sich der
Meß- Schlitten 4 längs und in
unmittelbarer Nähe
eines magnetisierbaren Meßbandes 5.
Bei dem magnetisierbaren Meßband 5 handelt
es sich um ein Flachprofil, das längs der Meß- Strecke 3, welche
in diesem Falle mit der Fahrstrecke des Maschinenteil 1 übereinstimmt,
aufgespannt ist. Der Meß-
Schlitten 4 liegt der flachen Seite des Meßbandes 5 auf
einer bestimmten Länge, hier
als Abtaststrecke 13 bezeichnet, mit geringem Abstand von
z.B. 1 mm gegenüber.
Das magnetisierbare Meßband 5 ist,
wie 2 zeigt, in Polfelder 6 unterteilt, welche
in Längsrichtung
des Meßbandes eine
konstante Polfeldlänge 7 haben.
Bei einer gewünschten
Meßgenauigkeit
von 1 mm beträgt
die Polfeldlänge 7 z.B.
6 mm. Jedes Polfeld kann senkrecht zu der in 2 gezeigten
Oberfläche
unterschiedlich magnetisiert werden, so daß dem Meß- Schlitten 4 entweder
ein Nordpol oder ein Südpol
zugewandt ist. Die Polachsen liegen jeweils im Zentrum eines jeden
Polfeldes und senkrecht zu der flachen Oberseite. In 2 ist
dargestellt, daß das
erste Feld derart magnetisiert ist, daß dem Meß- Schlitten 4 der Nordpol
zugewandt ist, im zweiten Polfeld der Südpol, dem dritten, vierten
und fünften
jeweils ein Nordpol usw.
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Die
Polachsen 8 liegen jeweils in einer Polebene oder Meßebene 9.
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Der
Meß- Schlitten 4 besitzt
in (im Wesentlichen) der Meßebene 9 eine
Reihe von Magnet- empfindlichen Sensoren 11, bei welchen
es sich um Hall- Sensoren handelt. Vorzugsweise handelt es sich
um digitale Hall-Sensoren. Die Hall- Sensoren können von unterschiedlicher
Beschaffenheit bezogen werden und zwar entweder als Nordpol- empfindliche Hall-
Sensoren oder als Südpol-
empfindliche Hall- Sensoren. Es kann bei einer Ausführung lediglich eine
Art derartiger Hall- Sensoren verwandt werden, Im Folgenden werden
Nordpol-empfindliche Hall- Sensoren beschrieben. Die Sensoren sind
in Dreier-Gruppen 14 zusammengefasst und in einer fortlaufenden
Kette mit dem Sensorabstand 12 angeordnet. Der Sensorabstand 12 von
Sensormitte zu Sensormitte wird in dieser Anmeldung als Sensorteilung bezeichnet.
Die Sensorteilung ist zwischen allen benachbarten Sensoren, auch
den Sensoren benachbarter Gruppen 14 konstant und so groß, daß die dreifache
Sensorteilung 12 genau einer Polfeldlänge 7 entspricht.
Da die Polfeldlänge
gleich der Gruppenlänge
im Beispiel gleich 6 mm ist, ist die Sensorteilung gleich 2 mm.
Die Sensorlänge
in Meßrichtung kann
größer als
eine Sensorteilung sein. Dann sind die Sensoren in zwei Reihen angeordnet,
so daß die Sensoren
der einen Reihe auf Lücke
der Sensoren der anderen Reihe stehen. Dadurch wird sichergestellt,
daß auch
hier die dreifache Sensorteilung, d.h. der Abstand der Mittelachsen
zweier benachbarter sich folgender Sensoren genau der Polfeldlänge 7 entspricht.
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In 2 ist
jeweils die Aufsicht auf das Meßband 5 und
die Abtasteinrichtung 10 des Meß- Schlittens 4 dargestellt.
In Wirklichkeit liegen sich Meßband 5 und
die mit Sensoren besetzte Abtasteinrichtung 10 mit geringem
Abstand von z.B. 1 mm gegenüber,
so daß die
Hall- Sensoren durch die unterschiedliche Polarisierung des Meßbandes 5 ein
ausreichendes Signal empfangen.
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Durch
die in einer Gruppe 14 zusammengefassten Sensoren 11a, 11b, 11c werden
drei Sensorsignale erzeugt und in dem Längenrechner 15 ausgewertet.
Wie dies geschieht, wird später
beschrieben. Die Sensorsignale sind digitale Signale 1 oder 0. Über die
Abtaststrecke 13 ergibt sich eine Kombination von Sensorsignalen,
welche durch Polarisierung des Magnetbandes so ausgewählt ist,
daß sie
typisch und einzig für
die durch die Abtaststrecke 13 der Tasteinrichtung 10 aktuell überdeckten
Polfelder. Diese Signalkombination wird daher als Positionscode
für die
jeweils betroffene Position des Meß- Schlittens in den Positionsrechner 15 gespeichert.
In 2 ist dargestellt, daß der Positionscode 13 Stellen
besitzt, das bedeutet, daß 2
potenziert mit 13 = 8.192 unterschiedliche Positionen vorbestimmt
und mit ihren Positionscodes in dem Positionsrechner 15 gespeichert
sind. Bei der gewählten
Polfeldbreite von 6 mm und der sich daraus ergebenden Sensorteilung von
2 mm und der Auflösung
von 1 mm kann damit die Meß-
Strecke 1349.152 mm lang sein.
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Dem
in der 2 dargestellten ersten Polfeld I und dementsprechend
der ersten Position der Abtastreinrichtung 10 bei vollständiger Überdeckung der
Sensorgruppen mit jeweils einem Polfeld bei einer Fahrstrecke von
3 mm ist daher der Positionscode 1011101110111 oder die Dezimalzahl
6.007 zugeordnet.
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Dem
zweiten Polfeld II bzw. der zweiten Position der Abtastreinrichtung 10 bei
vollständiger Überdeckung
der Sensorgruppen mit jeweils einem Polfeld bei einer Fahrstrecke
von 9 mm ist der Positionscode 0111011101110 und die Dezimalzahl
3.822 zugeordnet.
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Dem
dritten Polfeld III bzw. der dritten Position der Abtastreinrichtung 10 bei
vollständiger Überdeckung
der Sensorgruppen mit jeweils einem Polfeld bei einer Fahrstrecke
von 15 mm ist der Positionscode 1110111011100 oder die Dezimalzahl
7.644 zugeordnet usw.
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Die
aktuelle Position der Meßeinrichtung 10 in
der Abtaststrecke 13 wird nun – wie folgt – ermittelt:
- – die
Polsignale der einzelnen überdeckten
Polfelder werden durch Auswertung der Sensorsignale der zu Gruppen 14 zusammengefassten
drei Sensoren 11a, 11b, 11c ermittelt;
- – daraus
wird der für
die aktuelle Position maßgebende
Positionscode ermittelt;
- – dieser
wird mit den im Rechner niedergelegten Positionscodes verglichen
und die dem Positionscode in dem Rechner als zugeordnet gespeicherte
Position ermittelt;
- – durch
Vergleich der Sensorsignale jeder der Gruppen bzw. durch Vergleich
der Codewörter, welche
sich aus der Kombination der Senorsignale der jeweils ersten Sensoren,
der jeweils zweiten Sensoren und der jeweils dritten Sensoren einer
jeden Gruppe von Sensoren ergeben, wird ermittelt, ob und in welchem
Maße und
in welcher Richtung die aktuelle Position des Meßschlittens von der als zugeordnet
gespeicherten Position abweicht.
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Zum
Beispiel:
Bei dem in 2 dargestellten
Fall stimmen die Gruppengrenzen genau mit den Polgrenzen über. Daher
werden alle drei Sensoren 11a, 11b, 11c einer jeder
Gruppe jeweils dasselbe positive bzw. negative Signal abgeben. Ebenfalls
wird die Kombination der Sensorsignale 11a sämtlicher
Gruppen dasselbe Positionssignal abgeben wie die entsprechende Kombination
der Sensorsignale 12b aller Gruppen bzw. Sensorsignale 11c aller
Gruppen.
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Wenn
sich der Meß-
Schlitten 3 um eine halbe Sensorteilung weiter nach unten
verschiebt, bestimmt die Mehrheit der Sensoren 11a, 11b den
Positionscode der Grundposition von 3 mm. Da die Sensoren 11c jeder
der Gruppen keine Signale ab geben, da sie jeweils auf den Polgrenzen
benachbarter Polfelder liegen, wird die Verschiebung um eine halbe Sensorteilung
mit entsprechender Korrektur des dem Positionscode in dem Rechner
als zugeordnet gespeicherten Position, also 3 mm + 1 mm abgeleitet, woraus
sich die Länge
4 mm ergibt.
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Wenn
sich der Meß-
Schlitten 3 um eine ganze Sensorteilung verschiebt, bestimmt die
Mehrheit der Sensoren 11a, 11b den Positionscode
der Grundposition von 3 mm. Für
die Sensoren 11c, deren Sensorsignal in jedenfalls einigen
Fällen
unterschiedlich ist, ergibt sich, daß sie ein benachbartes Polfeld
mit einer Sensorteilung überlappen.
Mithin ergibt sich als aktuelle Position eine Länge von 3 mm + 2 mm = 5 mm.
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Verschiebt
sich der Sensorschlitten um 1,5 Sensorteilungen nach unten, so geben
die Sensoren 11b aller Gruppen I-XIII kein bestimmtes Ausgangssignal.
Diese Situation wird dahin ausgewertet, daß der Meß- Schlitten eine Mittellage
einnimmt und die aus den Sensorsignalen 11a bzw. 11c gebildeten
Positionscodes jeweils benachbarten Positionsfeldern zugeordnet
sind. Damit ergibt sich eine Korrektur des Positionswertes auf eine
Länge von
6 mm.
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- 1
- Maschinenteil
- 2
- Führungsstange
- 3
- Meßstrecke
- 4
- Meßschlittens
- 5
- magnetisierbares
Meßband
- 6
- Polfelder
- 7
- Polfeldlänge
- 8
- Polachsen,
Polzentrum
- 9
- Meßebene
- 10
- Abtasteinrichtung
- 11
- magnet-empfindlichen
Sensoren, vorzugsweise Hallsensoren
- 12
- Sensorteilung
- 13
- Abtaststrecke
- 14
- Gruppe
von jeweils drei sich folgenden Sensoren
- 15
- Positionsrechner
Längenrechner
- 16
- zwei
Reihen auf Lücke