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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Längenmessvorrichtung zur Messung
der Länge einer Messstrecke zwischen einem ersten und einem
zweiten Messpunkt, mit einem Sender zur Aussendung einer Messwelle,
mit einem Empfänger zum Empfang der Messwelle, wobei Sender
und Empfänger angeordnet sind, so dass die Messwelle die
Messstrecke durchläuft, und mit einer Auswertevorrichtung,
die ausgebildet ist, um durch Auswertung der empfangenen Messwelle
die Länge der Messstrecke zu bestimmen sowie eine Linearführung
mit dieser Längenmessvorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Derartige
Messvorrichtungen werden beispielsweise zur Längenmessung
mittels Laufzeitmessung eingesetzt. Die Laufzeitmessung beruht darauf,
dass sich elektromagnetische und akustische Wellen mit endlicher,
bekannter Geschwindigkeit ausbreiten. Zur Längenmessung
wird ein Messsignal zu einem Messobjekt gesendet, von dem es reflektiert
wird, wobei die Zeit die die Messwelle für den Hin- und
Rückweg benötigt hat, gemessen wird. Aus dieser
Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Messwelle kann
in bekannter Weise die Entfernung zwischen Sender beziehungsweise
Empfänger und Messobjekt bestimmt werden.
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Bei
abgewandelten Ausführungsformen dieser Technik wird statt
oder ergänzend zu der Messung der Laufzeit die Phasenverschiebung
zwischen der ausgestrahlten und der empfangenen Messwelle ausgewertet.
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Beispielsweise
offenbart das Dokument
US 2006/0186326
A1 einen Wellenempfangs- und einen Längenmessapparat,
welcher auf der Auswertung der Laufzeit beziehungsweise der Phasenlage
einer Messwelle beruht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Längemessvorrichtung,
welche gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte
Auflösung und Genauigkeit besitzt, sowie eine entsprechende
Linearführung vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Längenmessvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und mit einer Linearführung mit den Merkmalen
des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß wird
eine Längenmessvorrichtung zur Messung der Länge
einer Messstrecke zwischen einem ersten und einem zweiten Messpunkt
vorgeschlagen, wobei die Längenmessvorrichtung insbesondere
absolutmessend ausgebildet ist, so dass die gemessene Länge
in einer Längenmaßeinheit, insbesondere Meter
angegeben wird. Die Längenmessvorrichtung weist einen Sender
auf, welcher ausgebildet ist, eine Messwelle auszusenden. Die Messwelle
ist beispielsweise als ein kontinuierliches, moduliertes und/oder
kohärentes Signal und/oder als ein gepulstes Signal und/oder
ein Einzelpuls ausgebildet.
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Die
Längemessvorrichtung verfügt über einen
Empfänger, welcher ausgebildet ist, die Messwelle zu empfangen.
Optional weist der Empfänger selektierende Vorrichtungen
auf, welche ausgebildet sind, um die Messwelle aus einer Störumgebung auszufiltern.
Die selektiven Einrichtungen können beispielsweise als
Filter, insbesondere optische Filter, ausgebildet sein.
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Sender
und Empfänger sind so angeordnet, dass die von Sender zum
Empfänger gesendete Messwelle die Messstrecke durchläuft.
Zudem verfügt die Messvorrichtung über eine Auswertevorrichtung,
die auch extern angeordnet sein kann, welche ausgebildet ist, um
durch Auswertung der empfangenen Messwelle die Länge der
Messstrecke bzw. einen äquivalenten Wert zu bestimmen.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass die Messwelle die Messstrecke mindestens dreimal durchläuft.
Vorzugsweise wird der Strahlweg der Messwelle zwischen Sender und
Empfänger mindestens zweimal gefaltet, so dass die Messstrecke
von der Messwelle mindestens dreimal durchlaufen wird.
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Der
Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass die Genauigkeit
und Auflösung der bekannten Längenmessvorrichtungen,
insbesondere bei Messstrecken von wenigen Metern oder Zentimetern oftmals
ungenügend ist, da die Laufzeit beziehungsweise die Phasenverschiebung
zwischen der ausgesendeten und der empfangenen Messwelle so gering ist,
dass diese Unterschiede mit hoch präzisen Auswertevorrichtungen
detektiert werden müssen. Eine derartige zeitliche Auflösung
der Messsignale, welche bis in den Pikosekundenbereich hineinreicht, wird
derzeit von den verfügbaren bzw. den wirtschaftlich relevanten
elektronischen Systemen nicht befriedigend zur Verfügung
gestellt.
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Dagegen
schlägt die Erfindung vor, die Messstrecke zwischen dem
ersten und dem zweiten Messpunkt durch mehrfache Reflektion der
verwendeten Messwelle im Bereich der Messpunkte mehrfach zu durchlaufen
und damit künstlich zu verlängern, so dass die
Messwelle erst nach einer beliebig wählbaren Anzahl n von
Reflektionen zwischen dem ersten und dem zweiten Messpunkt von dem
Empfänger detektiert wird. Anhand der Signallaufzeit beziehungsweise
der Phasenbeziehung von Sende- und Empfangsmesswelle wird die Länge
des gesamten, künstlich verlängerten und beispielsweise
mäanderförmigen Strahlwegs mit einer Genauigkeit
G1 bestimmt. Da der gemessene Strahlweg ein ganzzahliges, insbesondere
(n + 1)-faches der Messstrecke ist, kann die Länge der
Messtrecke in einfacher Weise dadurch berechnet werden, dass der
gemessene Strahlweg durch die Anzahl der Durchläufe, insbesondere
n + 1, geteilt wird. Die Genauigkeit beziehungsweise der absolute
Messfehler der Längenbestimmung der Messtrecke wird dabei
auf einen Wert G1/(n + 1) reduziert. Besondere Vorteile bietet die Längenmessvorrichtung
dadurch, dass das Konzept günstig umzusetzen ist und vor
allem störungsunempfindlich und robust arbeitet.
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Bei
einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist die Messwelle als
elektromagnetische Welle, insbesondere Lichtstrahlung im sichtbaren,
infraroten Bereich, als Terahertz- oder Mikrowellenstrahlung, ausgebildet.
Alternativ ist die Messwelle als eine akustische Welle, insbesondere
eine Ultraschallwelle ausgebildet.
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Die
Bestimmung der Länge der Messstrecke durch die Auswertevorrichtung
kann nach einem beliebigen Auswerteverfahren erfolgen, besonders
bevorzugt ist jedoch die Länge der Messstrecke, beziehungsweise
des Strahlwegs, über eine Pulslaufzeitmessung und/oder über
eine Phasenlaufzeitmessung zwischen der ausgesendeten und der empfangenen
Messwelle zu bestimmen. Bei der Pulslaufzeitmessung wird der Zeitunterschied
zwischen der ausgesendeten und der empfangenen Messwelle unter Verwendung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Messwelle ausgewertet. Bei der
Phasenlaufzeitmessung wird die Phasendifferenz zwischen ausgesendeter
und empfangener Messwelle bestimmt und daraus die Länge
der Messstrecke bzw. des Strahlwegs abgeleitet.
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Bei
einer konstruktiven Umsetzung der Längemessvorrichtung
ist der Empfänger an dem ersten Messpunkt und der Sender
an dem zweiten Messpunkt angeordnet. Bei einer alternativen Ausführungsform
sind Empfänger und Sender gemeinsam an dem ersten oder
an dem zweiten Messpunkt platziert. Hierbei können Sender
und Empfänger als voneinander getrennte, insbesondere beabstandete
Einrichtungen ausgebildet sein oder als eine kombinierte Sender/Empfängereinheit
realisiert sein, welche auch als Transceiver bezeichnet wird. Hinzuweisen ist
darauf, dass der Terminus „an einem Messpunkt platziert"
auch den Fall umfasst, dass die entsprechende Einheit im Bereich
des Messpunkts platziert ist.
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Vorzugsweise
wird das mehrmalige Durchlaufen der Messstrecke von der Messwelle
dadurch erreicht, dass eine oder mehrere Reflektionsmittel vorgesehen
sind, welche die Messwelle mindestens zweimal in die Messstrecke
reflektieren. Vorzugsweise ist sowohl an dem ersten Messpunkt als
auch an dem zweiten Messpunkt ein Reflektionsmittel vorgesehen,
so dass der Strahlweg der Messwelle mehrfach, insbesondere mindestens
zweifach gefaltet ist.
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Bei
einer insbesondere für variierende Längen der
Messstrecke bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Längemessvorrichtung so ausgebildet, dass die Signalausbreitung
der Messwelle innerhalb der Messstrecke auf zueinander parallelen Bahnen
verläuft. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass für
den Fall, dass die Messstrecke durch Verschieben eines der Messpunkte
vergrößert oder verkleinert wird, keine systematischen
Messfehler aufgrund von Winkeländerungen auftreten.
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Beispielsweise
für den Fall, dass nur eine konstante Länge einer
Messstrecke überwacht werden soll, ist es auch möglich,
dass die Signalausbreitung der Messwelle innerhalb der Messstrecke
auf zueinander gewinkelt angeordneten Bahnen verläuft. Dieser
Strahlverlauf ist vergleichsweise einfach zu realisieren, z. B.
indem als Reflektionsmittel an jedem Messpunkt ein Spiegel platziert
ist, welche zueinander einen geringen Zwischenwinkel aufweisen,
so dass die Messwelle zickzackförmig zwischen den Spiegeln
verläuft. Gegebenenfalls kann bei einer Änderung
der Länge der Messstrecke der auftretende Winkelfehler
durch eine Korrekturfunktion kompensiert werden.
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Die
zur Reflektion eingesetzten Reflektionsmittel sind vorzugsweise
als Spiegel, Tunnel, Lichtwellenleiter, Prismen, Mikrospiegelarrays,
Retroreflektoren oder dergleichen ausgebildet. Dabei sind die genannten
Elemente vorzugsweise auf die Wellenlänge oder Wellencharakteristik
der Messwelle abgestimmt.
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Besonders
bevorzugt sind die Reflektionsmittel als Retroreflektoren realisiert,
welche eintreffende Wellen durch mehrfache, insbesondere doppelte
oder dreifache Reflektion in die Einfallsrichtung zurückreflektieren,
so dass einfallende Messwelle und reflektierte Messwelle auf zueinander
parallelen Bahnen angeordnet sind. Mit den Retroreflektoren ist es
somit besonders einfach möglich, einen Strahlengang umzusetzen,
bei dem die Messwelle stets auf zueinander parallelen Bahnen verläuft.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Retroreflektoren
von dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt zueinander zwar
koaxial, jedoch um einen Verdrehwinkel von z. B. 2° bis
10° verdreht zueinander angeordnet. Vorzugsweise ist der
Winkel, den die axialen Projektionen der Teilspiegelkanten der beiden
Retroreflektoren zueinander einnehmen, als der Verdrehwinkel definiert.
Durch diese Anordnung wird die Messwelle zwischen den beiden Retroreflektoren
mehrfach hin und hergeworfen, wobei bei jedem Umlauf ein Parallelversatz
der Messwelle erfolgt, so dass die Messwelle nach der gewünschten
Anzahl von Umläufen ausgekoppelt werden kann. Aber auch
jede andere Positionierung der Retroreflektoren ist bevorzugt, die diesen
Strahlweg erzeugt.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Linearführung
mit einer Schiene und mit einem linearbeweglich auf der Schiene
gelagerten Wagen, insbesondere eine Linearwälzkörperführung, wobei
ein schienenfester Bezugspunkt einen ersten Messpunkt und ein wagenfester
Bezugspunkt einen zweiten Messpunkt bildet, wobei erfindungsgemäß eine
Längenmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
beziehungsweise nach der vorhergehenden Beschreibung zur Messung
der Länge zwischen den beiden Messpunkten eingesetzt ist.
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Vorzugsweise
beträgt die Länge der Messstrecke weniger als
10 m, insbesondere weniger als 5 m, speziell weniger als 1 m. Gerade
bei diesen geringen Abständen fallen die statistischen
Messfehler besonders schwer ins Gewicht, welche durch das mehrfache
Durchlaufen der Messwelle durch die Messstrecke erfindungsgemäß reduziert
wird.
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Prinzipiell
kann die Strahlführung für die Messwelle offen
verlaufen, es ist jedoch bevorzugt, insbesondere um Probleme mit
Verschmutzungen zu vermeiden, die Längenmessvorrichtung
gekapselt auszuführen. Der Sender und der Empfänger
können dabei in dem Wagen beziehungsweise einem Bock der
Linearführung, welcher als stationäres Referenzobjekt
dient, integriert sein oder alternativ außerhalb davon
angebracht sein, beispielsweise über entsprechende mechanische
Schnittstellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung in Form einer Linearwälzkörperführung
mit einer integrierten Längemessvorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung des Strahlwegs der Messwelle in 1.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Blockdarstellung eine Linearwälzlagerführung 1,
welche eine Führungsschiene 2 sowie einen Wagen 3 umfasst.
Der Wagen 3 ist in bekannter Weise auf der Führungsschiene 2 linearbeweglich
in Richtung des Pfeils 4 gelagert. Als linker Endanschlag
weist die Linearwälzlagerführung 1 einen
Bock 5 auf, welcher zugleich als stationäres Referenzobjekt
wirkt. In der Linearwälzkörperführung 1 ist
eine Längenmessvorrichtung 6 integriert, welche
ausgebildet ist, den Abstand zwischen der Stirnseite des Wagens 3 und
der zugewandten Seite des Bocks 5 bzw. den Abstand Wagen 3 – Bock 5,
als Messstrecke zu messen. Zur Umsetzung dieser Messaufgabe weist
die Längenmessvorrichtung 6 einen Sender 7 auf,
welcher ausgebildet ist, eine Messwelle in Form eines Laserstrahls 8 auszusenden.
Die Wellenlänge des Laserstrahls 8 liegt vorzugsweise
im sichtbaren Bereich. Der Laserstrahl 8 läuft
ein erstes Mal die Messstrecke ab und trifft auf einen ersten, auf
dem Wagen 3 stationär angeordneten Retroreflektor 9a.
Von diesem wird der Laserstrahl 8 um 180° umgelenkt
und parallel zu der vorhergehenden Bahn in Richtung des Bocks 5 zurückgestrahlt.
Dort trifft der Laserstrahl 8 auf einen zweiten Retroreflektor 9b,
welcher stationär in dem Bock 5 angeordnet ist,
welcher den Laserstrahl 8 in gleicher Weise wie der Retroreflektor 9a wieder
zurückwirft. An dem Wagen 3 ist ein dritter Retroreflektor 9c angeordnet,
welcher den Laserstrahl 8 wieder umlenkt und in Richtung
des Bocks 5 reflektiert. Dort trifft der Laserstrahl 8 auf
einen Empfänger 10, welcher ausgebildet ist, den
Laserstrahl 8 zu detektieren.
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Eine
Auswerteeinheit 11 ist sowohl mit dem Sender 7 als
auch mit dem Empfänger 10 signaltechnisch verbunden
und wertet den empfangenen Laserstrahl 8 aus, indem die
Laufzeit und/oder die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten
Laserstrahl 8 und dem empfangenen Laserstrahl 8 bestimmt
wird bzw. werden. In bekannter Weise wird daraus der insgesamt zurückgelegte
Strahlenweg des Laserstrahls 8 bestimmt.
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Als
Ergebnis ermittelt die Auswerteeinrichtung zunächst die
Strahlweglänge, welche aufgrund der Faltung des Laserstrahls 8 der
vierfachen Länge der Messstrecke zuzüglich einem
konstanten Offset aufgrund der Strahlwege innerhalb der Retroreflektoren 9a,
b, c und einem statistischen Offset aufgrund der Messungenauigkeit
entspricht. In einem weiteren Auswertungsschritt wird der konstante
Offset von der Strahlweglänge abgezogen und der verbleibende Rest
durch die Anzahl der Strahldurchläufe durch die Messstrecke
geteilt. Als Ergebnis gibt die Auswertevorrichtung 11 die
Länge der Messstrecke aus, wobei jedoch der statistische
Offset durch die Division auf ein Viertel des sonstigen statistischen
Offsets reduziert wurde.
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Somit
erlaubt die Längenmessvorrichtung 6 eine robuste,
störunempfindliche und absolut messende Längemessung,
welche gegenüber dem bekannten Pulslaufzeit- beziehungsweise
Phasendifferenzmessverfahren in der Auflösung und Genauigkeit
verbessert ist. Die Komponenten der Längenmessvorrichtung 1 können – wie
in 1 gezeigt – in die Linearwälzkörperführung 1 beziehungsweise dem
Wagen 3 und dem Bock 5 integriert sein, alternativ
können diese auch außen angeordnet sein. Optional
ist das Längemesssystem, insbesondere der Strahlweg und
die optischen Komponenten des Längenmesssystems 6 gekapselt
ausgebildet.
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Die 2 zeigt
zur Verdeutlichung noch einmal den Strahlweg des Laserstrahls 8 in
einer schematischen Darstellung, wobei zu erkennen ist, dass der
Sender 7 den Laserstrahl 8 aussendet, dieser durch
eine zweifach Reflektion in dem ersten Retroreflektor 9a zurück
geworfen wird, in dem zweiten Retroreflektor 9b nochmals
um 180° umgelenkt wird und schließlich ein letztes
Mal durch den Retroreflektor 9c zurückgeworfen
wird, so dass der Laserstrahl 8 auf den Empfänger 10 trifft.
Die gegenüberliegenden Retroreflektoren 9a und
b beziehungsweise 9b und c sind so angeordnet, dass jeweils
deren Ausgang beziehungsweise Eingangsbereiche in Strahlrichtung überlappend
bzw. koaxial angeordnet sind.
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Bei
alternativen Ausführungsformen sind Sender 7 und
Empfänger 10 als eine kombinierte Einheit ausgebildet,
welche auch als Transceiver bezeichnet wird. Alternativ hierzu kann
auch beispielsweise der Sender 7 in dem Bock 5 und
der Empfänger 10 in dem Wagen 3 angeordnet
sein, wobei jedoch der Strahlweg des Laserstrahls 8 mindestens einmal
umgelenkt und in die Messstrecke zurückgeworfen wird.
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- 1
- Linearführung
- 2
- Schiene
- 3
- Wagen
- 4
- Pfeil
- 5
- Bock
- 6
- Längemessvorrichtung
- 7
- Sender
- 8
- Laserstrahl
- 9a,
b, c
- Retroreflektoren
- 10
- Empfänger
- 11
- Auswertevorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0186326
A1 [0004]