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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein absolutes Positionsmesssystem zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und findet bei Längen- und/oder Winkelmesssystemen Anwendung.
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Stande der Technik
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Aus der
DE 10164121 C2 ist ein magnetostriktives Positionsmesssystem bekannt, welches die Position eines Magneten über die Laufzeit einer Torsionswelle eines nach dem magnetostriktiven Messverfahren aufgebauten Messsystems bestimmt.
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Magnetostriktive Positionsmessverfahren benutzen einen Draht aus ferromagnetischem Material, als Wellenleiter. Wird ein Stromimpuls durch diesen Wellenleiter geschickt, erzeugt ein Magnet eine Torsionswelle, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2800 m/s im Draht fortpflanzt und von einem Sensor erfasst werden kann. Aus der Laufzeit zwischen Stromimpuls und Torsionsimpuls lässt sich die Position des Magneten messen. Befinden sich mehrere Magnete in Reichweite des Wellenleiters können mehrere Positionen gleichzeitig gemessen werden, sofern die Abstände aller Magnete untereinander ein Mindestmass nicht unterschreiten. Dies ist notwendig, damit sich die Einzelimpulse der Torsionswellen nicht überlappen.
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Nachteil derartiger magnetostriktive Messsysteme ist, dass diese technisch nicht in unbeschränkter Länge herstellbar sind. Zum einen bestimmt die Laufzeit die Wiederholrate der Positionsbestimmung und damit die Zykluszeit des Messsystems und zum anderen beeinflusst die Wellenleiterlänge die Amplitude des Messsignals und ist bei grossen Längen nicht mehr auswertbar.
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Vorteilhaft gegenüber magnetmassstabgestützten Wegmesssystemen mit Magnetsensorabtastung ist, dass der nutzbare Justagebereich für die Lage des Magneten wesentlich gröbere Toleranzen zulässt. Somit lassen sich Abtastsysteme mit weit grösseren Justagetoleranzen realisieren. Des Weiteren kann der Justagetoleranzbereich durch die Materialwahl des Magneten beeinflusst werden. So kann durch Verwendung von Seltenerdemagneten der nutzbare Justagebereich nochmals deutlich vergrössert werden.
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Aus der
DE 19643538 A1 ist ein magnetmassstabkodiertes Wegmesssystem bekannt, welches zwei Spuren auf einem magnetischen Träger mit einer Magnetsensoranordnung abtastet. Dabei ist eine Spur als Inkrementalspur ausgeführt, die eine hohe Ortsauflösung nach Interpolation des zugrunde liegenden SinCos-Signals gewährleistet, und eine zweite Spur als Absolutspur ausgeführt, die aus der Absolutinformation die aktuell abgetastete Teilungsperiode der Inkrementalspur bestimmen lässt und bei der jeder kodierten Teilinformation ein Sensor zugeordnet ist.
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Der Massstab derartiger Wegmesssysteme besteht zumeist aus einem flexiblen Metallband als Träger, auf dem eine magnetisierbare Schicht aufgebracht ist und auf der magnetische Strukturen bei der Herstellung als Folge von abstandskodierten N/S-Strukturen oder äquidistanten bzw. inkrementalen N/S-Teilungen geschrieben werden. Diese Massstäbe werden im Messkopf durch eine Anordnung von magnetisch empfindlichen Sensoren, wie Hall-, AMR- oder GMR-Sensoren, abgetastet.
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Nachteil derartiger Messsysteme ist, dass das Messprinzip hohe Anforderungen an die Führungsgenauigkeit zwischen Massstab und Abtastkopf stellt. Die Eigenschaften der Sensoren und die stark abstandsabhängige Feldstärke der Magnetkodierung bedingen, dass der Abstand zwischen Massstab und Abtastkopf entscheidenden Einfluss auf die Messunsicherheit des Gesamtsystems hat.
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Für die zumeist zur Auswertung von absolut kodierten Magnetstrukturen Verwendung findenden Hall-Sensoren gilt: je näher der Abtastkopf ohne Gefahr einer Berührung an dem Massstab entlang geführt werden kann, desto grösser ist die auswertbare Amplitude des Messsignals und damit desto kleiner die resultierende Messunsicherheit. Demgegenüber besitzen insbesondere AMR- oder GMR-Sensoren zur Auswertung inkrementaler Magnetteilungen einen durch die geometrische Gestaltung des Sensors bedingten optimalen Sollabstand.
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Insbesondere bei Messsystemen, die als Kombinationen von Absolut- und Inkrementalauswertung mit unterschiedlichen Magnetsensoren aufgebaut sind – z. B. Hall-Sensoren für die Absolutspur und AMR-Sensoren für die Inkrementalspur-, ist die Anschlussbedingung für die Zuordnung der aus der kodierten Spur gewonnenen Periodennummer der Inkrementalspur zur interpolierten SinCos-Position der Inkrementalspur in einem nur begrenzten Justagebereich sichergestellt.
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Weitere Einbautoleranzen werden bestimmt durch die Kodespurbreite und die Teilungsperiode der inkrementalen Spur bzw. der Rasterweite der Absolutspur.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein absolutes Positionsmesssystem zur Bestimmung der Längen- bzw. Winkelposition zu schaffen, welches einen grossen absoluten Messbereich bei groben Justagetoleranzen und hoher Störsicherheit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einem absoluten Positionsmesssystem zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
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Dabei ist am ersten Objekt eine in Messrichtung liegende Spur angeordnet, die kodiert, bevorzugt seriell kodiert, angeordnete Magnete, bevorzugt Permanentmagnete, trägt und am zweiten Objekt eine im Wesentlichen in Messrichtung liegende magnetostriktive Abtasteinheit angeordnet, die bei der Abtastung der Magnetanordnung vom ersten Objekt ein Sensorsignal, bevorzugt Analogsignal, bildet, aus der die absolute Lage zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt ermittelt werden kann.
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Die Anordnung der Permanentmagnete vom ersten Objekt bildet einen nichtperiodischen Kode, der abschnittsweise abgetastet die Information über den aktuell abgetasteten Abschnitt entsprechend einer Kodevorschrift enthält. Die abschnittsweise Abtastung der Kodierung vom ersten Objekt über die magnetostriktive Abtasteinheit des zweiten Objektes erlaubt über dessen Sensorsignal die Zuordnung des abgetasteten Abschnitts zur Quellkodierung des Messorts.
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Die Länge des Abtastbereichs der magnetostriktiven Abtasteinheit muss so bemessen sein, dass an jeder Messposition alle Merkmale eines vollständigen Absolutkodeworts enthalten sind und dieses keine Wiederholungen im gesamten weiteren kodierten Massstabsbereich vom ersten Objekt besitzt.
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Die erfindungsgemässe Anordnung der seriell kodierten Abstände der Permanentmagnete in einem äquidistanten Raster gestattet einerseits eine störsichere Kodierung und andererseits eine kundenspezifische Magnetmontage nach Kodierungsvorschrift beispielsweise auf einem Lochrasterband.
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Eine eindeutig unterscheidbare und im gesamten Messbereich nicht wiederholende Kodeinformation setzt sich vorteilhafterweise aus mehreren in einem Raster angeordneten Magnetabständen in Form eines Kodeblocks zusammen. ssVorteilhafterweise setzt sich jeder Kodeblock aus mehreren Kodeelementen zusammen, wobei sich jedes Kodeelement aus dem Abstand benachbarter Permanentmagnete ergibt. Hierbei dürfen aufeinander folgende Kodeelemente, die jeweils einen Kodeblock bilden, keine weitere Wiederholung im gesamten Messbereich des Kodeträgers aufweisen. Ein definierter Teil eines Kodeblocks, z. B. der erste Permanentmagnet, definiert jeweils dessen Anfangsposition, welcher eine kodierte Messlänge auf der Kodespur bezüglich der absoluten Nullposition des Kodeträgers zugeordnet ist.
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Der Abstand zwischen dem als Bezugspunkt definierten Teil eines Kodeblocks zur absoluten Nullposition der magnetostriktiven Abtasteinheit bildet die lokale Absolutposition der magnetostriktiven Abtasteinheit.
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Die Summe aus fest kodierter Anfangsposition des aktuellen Kodeblocks zur absoluten Nullposition des Massstabs und der lokalen Absolutposition des aktuellen Kodeblocks bezüglich der magnetostriktiven Abtasteinheit bildet die aktuelle Ortslage der magnetostriktiven Abtasteinheit zur absoluten Nullposition des Massstabs als absolute Messlänge.
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Erfindungsgemässist die Länge des Abtastbereiches der magnetostriktiven Abtasteinheit unabhängig von der Länge des kodierten Messbereichs des Kodeträgers definiert. Somit sind magnetostriktive absolute Messsysteme gestaltbar, die gegenüber der Abtastlänge der magnetostriktiven Abtasteinheit einen deutlich grösssseren Messbereich abdecken können.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die ssPermanentmagneten in einem Winkel von 60° bis 120°, bevorzugt 80° bis 100°, besondrs bevorzugt 90° bezüglich der Messrichtung angeordnet. Hierbei ist die Auswirkung von Justage- und Führungsfehlern in nicht der Messrichtung zuordenbaren Richtungen minimal.
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Die Ausgestaltung des am ersten Objekt angeordneten Kodeträgers sswird vorteilhafterweise als kompaktes Band mit eingeschlossenen Magneten oder als Lochrasterband mit nach Vorschrift zu montierenden Magnethaltern ausgebildet. Ebenso ist jede andere kundenspezifische Anordnung der Permanentmagnete entsprechend Kodierungsvorschrift möglich.
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Zur Gestaltung von Winkelmesssystemen grosser Durchmesser kann Abtastkopf und Kodeträger in Kreisbogenform ausgeführt werden.
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Bei typischen Ausführungsformen wird entweder ein fest montierter Kodeträger durch eine bewegliche Abtasteinheit oder eine fest montierte Abtasteinheit durch einen beweglichen Kodeträger abgetastet werden.
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Die Kodierungsvorschrift bestimmt die maximale absolut kodierbare Messlänge des Massstabs und die minimale Abtastlänge des magnetostriktiven Messsystems. Grundsätzlich gilt: je geringer der mittlere Abstand benachbarter Magnete definiert wird, desto kürzer kann die Abtastlänge gestaltet werden, aber auch desto grösser ist die Anzahl Magnete je Meter Massstabslänge. Zu beachten ist, dass beim magnetostriktiven Messverfahren ein Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Magneten zur eindeutigen Trennung im Wellenleiter-Signal eingehalten werden muss. Zur sicheren und eindeutigen Trennung der Kodeinformation sollte ausserdem ein hinreichend grobes Koderaster Verwendung finden. Die gesamt kodierbare Massstabslänge wird bestimmt durch die Grösse der Kodeinformation bzw. identifizierbare Kodeblockanzahl und den mittleren Magnetabstand und gestattet Ausführungsvarianten im km-Bereich.
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Gegenüber klassischen magnetostriktiven Wegmesssystemen grosser Messlängen lässt sich durch die vergleichsweise kurze Abtastlänge eine kleine Messzykluszeit und damit hohe Messdynanik erreichen.
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Durch die gleichzeitige Abtastung und Auswertung mehrerer in von der Kodierung vorgegebenem Abstand angeordneter Permanentmagnete lässt sich eine kleine Messunsicherheit und eine hohe Störsicherheit erreichen, wenn alle Magnetpositionen zur Berechnung der hochauflösenden lokalen Absolutposition der magnetostriktiven Abtasteinheit herangezogen werden.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen für absolute Längen- und Winkelmesssysteme näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: den Aufbau eines Längenmesssystems mit als kompaktes Band ausgebildeten Kodeträger,
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2: die Sensorsignalzuordnung zu 1, 3 und 4,
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3: den Aufbau eines Längenmesssystems mit konfigurierbarem Koderaster,
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4: den Aufbau eines Winkelmesssystems für grosse Radien.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein erstes absolutes Längenmesssystem, bei dem ein magnetostriktiver Messkopf 6 linear beweglich zum als kompaktes Band mit eingeschlossenen Magneten ausgeführten Kodeträger 1 angeordnet ist.
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2 zeigt das zugehörige Signalbild mit den funktionell getrennten Teilinformationen zur Bildung der Messposition. Die kodiert angeordneten Permanentmagneten 3 sind in einer Kodespur 2 jeweils 90° zur Messrichtung 5 auf dem Kodeträger 1 angeordnet. Der kodierte Messbereich 10 des Kodeträgers 1 ist deutlich grösser als der Abtastbereich 9 der magnetostriktiven Abtasteinheit 4 ausgeführt. Der magnetostriktive Messkopf 6 besteht aus der magnetostriktiven Abtasteinheit (bzw. dem Wellenleiter) 4, Auswerteelektronik 8 sowie Gehäuse und Kabelabgang. magnetostriktiver Messkopf 6 und Kodeträger 1 müssen relativ zueinander in Messrichtung 5 beweglich geführt werden.
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Alle im Abtastbereich 9 der magnetostriktiven Abtasteinheit 4 befindlichen Permanentmagnete 3 erzeugen eine Torsionswelle, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2800 m/s im Draht fortpflanzt und als zeitlich versetztes Sensorsignal 7 von einem Sensor erfasst werden können. Aus der Laufzeit zwischen Stromimpuls und Torsionsimpuls lassen sich die Positionen der Permanentmagnete 3 bezüglich der absoluten Nullposition M0 der magnetostriktiven Abtasteinheit (kann auch als Wellenleiter bezeichnet werden) 4 messen. Sofern die Position des ersten erfassten Permanentmagnets 3 gleichzeitig die Anfangsposition AK des Kodeblocks 11 definiert, bestimmt dessen Laufzeit die Messlänge LM zur Nullposition M0 des der magnetostriktiven Abtasteinheit 4. Alle weiteren erfassten Permanentmagnete 3 definieren über ihren Abstand zueinander die Kodeelemente K1, K2 usw. entsprechend Kodevorschrift und bilden den Kodeblock 11. Jedem Kodeblock 11 bzw. jeder Kodeblocknummer ist eine kodierte Messlänge LK bezüglich der absoluten Nullposition A0 des Kodeträgers 1 zugeordnet. Aus der Summe der fest kodierten Messlänge LK des aktuell abgetasteten Kodeblocks 11 und der Messlänge LM zur Nullposition M0 der magnetostriktiven Abtasteinheit 4 ergibt sich die aktuelle absolute Messlänge L des magnetostriktiven Messkopfes 6 bezüglich der absoluten Nullposition A0 des Kodeträgers 1.
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3 zeigt ein zweites absolutes Längenmesssystem, bei dem ein magnetostriktiver Messkopf 6 linear beweglich zum als Lochrasterband 13 mit nach Kodierungsvorschrift zu montierenden Magnethaltern 12 ausgebildet ist. Die Auswertung entspricht dem ersten Beispiel und bezieht sich auf das zugehörige Signalbild mit den funktionell getrennten Teilinformationen zur Bildung der Messposition nach 2.
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Über das Lochraster ist das Raster zur Anordnung der in Magnethaltern 12 eingebetteten Permanentmagnete 3 vorgegeben. Anhand einer Vorschrift zur Anordnung der seriell kodierten Magnetabstände werden die Magnethalter 12 in der Anwendung montiert. Fehler des Lochrasterabstandsmasses können individuell dauerhaft abgespeichert als Korrekturwerte in der Auswerteelektronik 8 hinterlegt werden.
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4 zeigt ein absolutes Winkelmesssystem für grosse Radien, bei dem ein als Bogensegment ausgebildeter magnetostriktiver Messkopf 6 auf einer Kreisbahn im Radius R eine kreisförmig ausgeführte kodierte Magnetanordnung einer Kodespur 2 abtastet. Die Auswertung entspricht dem ersten Beispiel und bezieht sich auf 2.
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Die erzielbaren Vorteile der erfindungsgemäss ausgestalteten Positionsmesssysteme nach 1 bis 4 gegenüber
anderen magnetostriktiven Längenmesssystemen sind:
- – keine Beschränkung der absolut erfassbaren Messlänge durch die Länge des Abtastbereiches der magnetostriktiven Abtasteinheit bzw. der Länge des Wellenleiters,
- – hohe Abtastrate bzw. kleine Messzykluszeit durch relativ kurze Länge des Wellenleiters gegenüber klassischen magnetostriktiven Messsystemen grosser Messlänge,
- – hohe Auflösung und kleine Messunsicherheit durch Einbeziehung aller Magnetpositionen in die Auswertung der Absolutposition,
- – variable Gestaltungsmöglichkeiten bei der Ausführung des Massstabs,
- – hohe Störsicherheit durch Redundanz der Kodierung,
- – Erkennbarkeit von fehlerhaft kodierten Magnetanordnungen bei Inbetriebnahme und im Betrieb,
sowie anderen magnetmassstabgestützten Längenmesssystemen sind:
- – deutlich gröbere Justagetoleranzen in allen Koordinatenrichtungen zwischen Magnetmassstab und Messkopf sowie deutlich unkritischere Montagebedingungen für die Anbringung des Magnetmassstabs,
- – variable Gestaltungsmöglichkeiten bei der Ausführung des Magnetmassstabs bzw. der kodierten Magnetanordnung,
- – hohe Störsicherheit auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen.
Bezugszeichenliste | 1 | Kodeträger | 34 | | α | Winkel (zwischen Messrichtung und Permanentmagnetausrichtung) |
| 2 | Kodespur | 35 | | A0 | absolute Nullposition des Kodeträgers |
| 3 | Parmanentmagnet | 36 | | M0 | absolute Nullposition der magnetostriktiven Abtasteinheit |
| 4 | Magnetostriktive Abtasteinheit | 37 | | AK | Anfangsposition (des aktuellen Kodeblocks) |
| 5 | Messrichtung | 38 | | K1 | erstes Kodeelement (des aktuellen Kodeblocks) |
| 6 | Magnetostriktiver Messkopf | 39 | | K2 | weiteres Kodeelement (des aktuellen Kodeblocks) |
| 7 | Sensorsignal | 40 | | LK | kodierte Messlänge |
| 8 | Auswerteelektronik | 41 | | LM | Messlänge (des aktuellen Kodeblocks zur absolute Nullposition der magnetostriktiven Abtasteinheit) |
| 9 | Abtastbereich | 42 | | L | aktuelle Messlänge zur absoluten Nullposition des Kodeträgers |
| 10 | Kodierter Messbereich | 43 | | R | Radius |
| 11 | Kodeblock | 44 | | | |
| 12 | Magnethalter | 45 | | | |
| 13 | Lochrasterband | 46 | | | |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10164121 C2 [0002]
- DE 19643538 A1 [0006]
