DE102013226198A1 - Sichere Positionsmessvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abtastkopf (30) zur Abtastung einer Maßverkörperung (20), auf der in Messrichtung (25) periodisch Markierungen (22) mit einer Periode (27) ausgebildet sind, wobei der Abtastkopf (30) wenigstens zwei Einzelsensoren (40) zur Erzeugung von Sensorsignalen (36, 35) durch Abtastung der Markierungen (22) und eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (11) aufweist, wobei die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (11) dazu eingerichtet ist, aus den Sensorsignalen (36, 35) wenigstens ein hochgenaues Ausgabesignal (60) zu erzeugen, wobei der Abtastkopf dazu eingerichtet ist, wenigstens zwei verschiedene Arten von Ausgabesignalen (60, 61, 62) auszugeben, wobei die wenigstens zwei verschiedenen Arten von Ausgabesignalen (60, 61, 62) wenigstens ein sicheres Ausgabesignal (61, 62) und das wenigstens eine hochgenaue Ausgabesignal (60) umfassen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abtastkopf zur Abtastung einer Maßverkörperung und eine Positionsmessvorrichtung mit einem solchen Abtastkopf und einer Maßverkörperung.
  • Stand der Technik
  • Im Maschinen- und Anlagenbau gewinnt das Thema Sicherheit immer größere Bedeutung. Dementsprechend steigen auch die Anforderungen an einzuhaltende Sicherheitsstandards, die dem Personenschutz, zunehmend aber auch dem Schutz von Sachwerten und der Umwelt dienen.
  • Ziel der funktionalen Sicherheit ist die Minimierung oder Beseitigung von Gefahren, die sowohl im ungestörten als auch im gestörten Betrieb von Maschinen oder Anlagen entstehen können. Dies wird in erster Linie durch redundante Systeme erreicht. So benötigen bewegte Achsen in sicherheitsgerichteten Anwendungen redundante Positionsinformationen, um entsprechende Sicherheitsfunktionen erfüllen zu können. Zur Gewinnung unabhängiger Positionswerte können unterschiedliche Systemkonfigurationen realisiert werden. Eine Möglichkeit bietet der Einsatz von zwei Messgeräten pro Achse. Aus Kostengründen wird jedoch in vielen Fällen eine Lösung mit nur einem Positionsmessgerät angestrebt. Solche Positionsmessgeräte können durch Abtastung einer Maßverkörperung mit in Messrichtung periodisch angeordneten Markierungen durch beabstandete Sensoren sogenannte Sinus-/Cosinus-Signale erzeugen.
  • Aus der US 6 295 992 B1 ist Positionsmesssystem bekannt, bei dem durch Abtastung einer Maßverkörperung Sinus- und Cosinus-Signale erzeugt und ausgewertet werden. Die Sinus- und Cosinus-Signale können vorverarbeitet werden, um das Messergebnis zu verbessern.
  • Es ist wünschenswert, eine Messvorrichtung für Positionen und/oder Geschwindigkeiten anzugeben, die funktional sicher ist und dennoch möglichst genaue Messwerte liefert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Abtastkopf zur Abtastung einer Maßverkörperung und eine Positionsmessvorrichtung mit einem solchen Abtastkopf und einer Maßverkörperung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ein erfindungsgemäßer Abtastkopf ist dazu eingerichtet, zwei unterschiedliche Arten von Ausgabesignalen auszugeben und erlaubt so einerseits die sichere und andererseits die genaue Messung von Positionen und/oder Geschwindigkeiten (Positionsänderung pro Zeit). Der Kern der Erfindung ist eine Kombination einer analogen Signalverarbeitung zur Bereitstellung der funktionalen Sicherheit und einer digitalen Signalverarbeitung zur Erhöhung der Messgenauigkeit.
  • Dazu weist der Abtastkopf wenigstens zwei Einzelsensoren zur Erzeugung von Sensorsignalen auf. Die wenigstens zwei Einzelsensoren weisen in Messrichtung einen Abstand voneinander auf, wobei der Abstand vorzugsweise ein Vielfaches ergänzt um einen Bruchteil, insbesondere ein Viertel, der Periode beträgt, um die bekannten Sinus- und Cosinus-Signale zu erzeugen. Aus den Sensorsignalen werden die wenigstens zwei unterschiedlichen Arten von Ausgabesignalen erzeugt und an eine übergeordnete Auswerteeinheit, z.B. eine SPS oder einen Antriebsregler, ausgegeben.
  • Einerseits werden die Sensorsignale in dem Abtastkopf jeweils einzeln verarbeitet (Verstärkung, Demodulation, Amplituden-/Offsetregelung) und an einem ersten Ausgang des Abtastkopfes als sichere Ausgabesignale ausgebeben. Von dort können sie an die übergeordnete Auswerteeinheit zur Auswertung, hier insbesondere zur Bewertung der funktionalen Sicherheit, übertragen werden. Diese sicheren Ausgabesignale sind jedoch hinsichtlich der Auflösung auf die Periode der abgetasteten Maßverkörperung festgelegt, da eine digitale Aufbereitung hier aus sicherheitsgerichteten Gründen nicht zulässig ist. Zweckmäßigerweise werden die sicheren Ausgabesignale daher vorrangig oder ausschließlich für die Sicherheitsfunktion genutzt.
  • Andererseits werden die Sensorsignale in dem Abtastkopf digital verarbeitet und aufbereitet und an einem zweiten Ausgang des Abtastkopfes als hochgenaues Ausgabesignal ausgebeben. Von dort können sie an die übergeordnete Auswerteeinheit zur Auswertung, hier insbesondere zur Bestimmung von Position und/oder Geschwindigkeit des Abtastkopfes relativ zur Maßverkörperung, übertragen werden. Diese hochgenauen Ausgabesignale sind hinsichtlich der Auflösung nicht auf die Periode der abgetasteten Maßverkörperung festgelegt, da eine digitale Aufbereitung zulässig ist. Zweckmäßigerweise werden die hochgenauen Ausgabesignale daher vorrangig oder ausschließlich für die Positions- bzw. Geschwindigkeitsfunktion genutzt.
  • Bei den sicheren Ausgabesignalen handelt es sich vorzugsweise um analoge Signale (z.B. Sinus- und Cosinussignale), bei den hochgenauen Ausgabesignalen kann es sich um analoge (Sinus, Cosinus, TTL) oder digital kodierte Signale handeln.
  • Vorteilhafterweise ist im Abtastkopf im Signalweg hinter den Einzelsensoren wenigstens eine Signalkonditionierungseinheit vorgesehen. Damit können die Sensorsignale, insbesondere analog, aufbereitet bzw. verarbeitet werden, ohne dass die funktionale Sicherheit beeinträchtigt wird. Insbesondere können hierfür ein Demodulator und/oder ein Verstärker benutzt werden. Damit kann eine höhere Signalqualität gewährleistet werden.
  • Vorzugsweise handelt sich um eine induktive Positionsmessvorrichtung nach dem Übertragerprinzip. Dabei erzeugt eine bestromte Erregerstruktur ein magnetisches Wechselfeld, das von einer (i.d.R. galvanisch getrennten) Empfängerstruktur erfasst werden kann. Wird von Außen Einfluss auf die Verteilung des magnetischen Feldes genommen – z.B. durch Anwesenheit von magnetisch oder elektrisch leitfähigen Materialien – so wirkt sich dies nach dem Induktionsgesetz auf die messbare Spannung der Empfängerspule aus. Mit diesem Prinzip wird eine berührungslose induktive Messung möglich. Die induktive Messung ist zunächst prinzipbedingt stark offsetbehaftet. Als Nutzsignal kann nämlich nur der Signalanteil bezeichnet werden, um den das empfangene Signal – durch die äußeren Einflüsse moduliert – schwankt. Typischerweise liegt der Anteil des Nutzsignals bei nur etwa 1‰ bis max. 10% des Gesamtsignals. Das restliche Signal ist Offset und i.d.R. unerwünscht. Zur Offsetbefreiung kann ein differentieller Aufbau gewählt werden. Beispielsweise können jeweils zwei Empfängerwindungen ein differentielles Paar bilden. Die beiden Windungen sind mit entgegengesetztem Wicklungssinn in Reihe verschaltet, sodass als messbares Signal nur die Differenz der beiden Spulensignale erhalten bleibt; ein Offset wird eliminiert. Anstelle einer differentiellen Empfängerspule ist es ebenso denkbar, die Senderspule differentiell zu gestalten, um eine Offsetfreiheit zu erreichen. Dadurch wirkt bereits das magnetische Wechselfeld differentiell auf die Empfängerspule. Das Empfangssignal einer Empfängerspule ist damit offsetfrei.
  • Es ist von Vorteil, wenn jeder Einzelsensor zwei Empfängerspulen, die in Messrichtung nebeneinander angeordnet und differentiell verschaltet sind, sowie eine den Empfängerspulen zugeordnete Senderspule aufweist. Dies ermöglicht eine gute Erkennung der Markierungen auf der Maßverkörperung, die insbesondere aus einem ferromagnetischem Material ausgebildet ist, da das so erhaltene Signal durch die differentiell verschalteten Empfängerspulen Offset-kompensiert ist.
  • Die Positionsmessvorrichtung kann jedoch nach einem anderen Prinzip arbeiten, beispielsweise optisch (die Sensorik umfasst insbesondere Photodioden) oder magnetisch (die Sensorik umfasst insbesondere Hall- oder magnetoresistive Sensoren).
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für den Betrieb einer Positionsmessvorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung, werden von Einzelsensoren eines Sensors eine Maßverkörperung abgetastet und jeweils ein analoges Sensorsignal erzeugt. Aus den analogen Sensorsignalen werden die zwei unterschiedliche Arten von Ausgabesignalen erzeugt, aus denen eine Position und/oder Geschwindigkeit hochgenau ermittelt und eine funktionale Sicherheit geprüft werden kann. Dies ermöglicht eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionsbestimmung mittels des hochgenauen Ausgabesignals sowie gleichzeitig eine Bereitstellung funktionaler Sicherheit mittels des sicheren Ausgabesignals.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung in einer bevorzugten Ausgestaltung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • In 1 ist schematisch eine Positionsmessvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausgestaltung dargestellt. Die Positionsmessvorrichtung 10 ist im gezeigten Beispiel als induktive Messvorrichtung ausgebildet und umfasst einen Abtastkopf 30 und eine Maßverkörperung 20, in 1 links dargestellt, auf der in Messrichtung 25 Markierungen 22 ausgebildet sind. Die Markierungen 22 weisen eine Periode 27 auf, wobei die Länge einer Markierung λ/2 beträgt, ebenso wie die Länge eines Stegs zwischen zwei Markierungen 22. Die Periode 27 beträgt somit genau λ. Die Maßverkörperung 20 ist bspw. aus einem ferromagnetischen Blechband hergestellt. Die Markierungen 22 sind bspw. einfach rechteckige Löcher bzw. Durchbrüche in dem Blechband.
  • Der Abtastkopf 30 ist zur Abtastung der Maßverkörperung 20 ausgebildet und gegenüber der Maßverkörperung 20 zur Abtastung derselben beweglich gelagert. Der Abtastkopf 30 umfasst zwei Einzelsensoren 40, wobei jeder der Einzelsensoren 40 wiederum aus zwei Empfängerspulen 33 besteht, die differentiell zusammengeschaltet sind. Die beiden Empfängerspulen 33 sind von einer Senderspule 31 umgeben bzw. diese ist ihnen zugeordnet. Die beiden Empfängerspulen 33 pro Einzelspule 40 sind in Messrichtung 25 nebeneinander angeordnet. Die beiden Einzelspulen 40 weisen einen Abstand 37 voneinander auf, der ein Vielfaches der Periode 27 ergänzt um einen Bruchteil der Periode 27 beträgt, vorzugsweise und beispielhaft beträgt der Bruchteil ein Viertel. Vorliegend entspricht der Abstand 37 zwei und ein Viertel der Periode 27, also 2,25 λ. Die Länge einer Empfängerspule 33 beträgt im Wesentlichen λ/2, es kann damit also genau eine Markierung abgedeckt werden.
  • Weiter ist eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung 11 dargestellt, die mit den Senderspulen 31, die in Reihe geschaltet sind, verbunden ist. Die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung 11 umfasst üblicherweise A/D-Wandler sowie FPGAs. In die Senderspulen 31 wird beim Betrieb der Positionsmessvorrichtung jeweils ein Senderwechselstrom 32 (z.B. 100 kHz) eingespeist, der in den Senderspulen 31 effektive Kreisströme verursacht. Diese induzieren jeweils eine Wechselspannung in den Empfängerspulen 33. Wenn eine Maßverkörperung 20 ohne Markierungen (keine Löcher, nur ferromagnetisches Metall) vorhanden wäre, wären diese Wechselspannungen betragsmäßig gleich, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, so dass sie sich exakt aufheben würden. Dieser Effekt wird als Kompensation bezeichnet. Würde man hierauf verzichten, würde die Spannung an einem Einzelsensor 40 abhängig von einer Markierung um einen Signal-Offset schwanken, der möglicherweise betragsmäßig größer als die Schwankungen im Signal ist, die durch die Markierungen verursacht werden. Dies würde die Signalauswertung erheblich erschweren.
  • Befindet sich eine Empfängerspule 33 jedoch über einer Markierung 22, so wird das von der Senderspule 31 erzeugte Feld beeinflusst. Bei verschiedener Beeinflussung der nebeneinander angeordneten Empfängerspulen 31 wird somit ein Sensorsignal erzeugt, worauf sich auf die Position gegenüber einer Markierung schließen lässt.
  • Bei einer Bewegung des Abtastkopfes 30 gegenüber der Maßverkörperung 20 wird in den Einzelsensoren 40 bzw. in deren Empfängerspulen 33 jeweils ein Sensorsignal erzeugt, das von der aktuellen Position der Einzelsensoren 40 gegenüber den Markierungen 20 abhängt. Bspw. wird in einem der Einzelsensoren 40 ein analoges Cosinus-Signal 36 erzeugt. Da der andere Einzelsensor 40 um 2,25 λ in Messrichtung versetzt angeordnet ist, entspricht das dort erzeugte Sensorsignal entsprechend einem analogen Sinus-Signal 35, es handelt um eine Phasenverschiebung von λ/4.
  • Die Empfängerspulen 33 sind mit der digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung 11 verbunden, d.h. die beiden Sensorsignale 35, 36 werden an diese digitale Signalverarbeitungsvorrichtung 11 geleitet. Mit geeigneten Mitteln wird aus den beiden Sensorsignalen 35, 36 wenigstens ein digital aufbereitetes Ausgabesignal erzeugt, welches eine genauere Positions- und/oder Geschwindigkeitsinformation, bspw. mit einer Signalperiode von 40µm, liefert, als es die beiden ursprünglichen Sensorsignale 35, 36 liefern, welche bspw. eine Signalperiode von 1 mm haben. Dieses wenigstens eine digital aufbereitete Ausgabesignal wird an wenigstens einem Ausgang 60 ausgegeben. Im vorliegenden Beispiel werden ein Sinus- und ein Cosinus-Signal an den beiden Ausgängen 60 als hochgenaue Ausgabesignale ausgegeben und von dort einer Auswerteeinheit 71, bspw. einer SPS oder einem Antriebsregler, bereitgestellt. In der Auswerteeinheit 71 werden die Positions- und/oder Geschwindigkeitsinformation ausgewertet bzw. weiterverarbeitet.
  • Zusätzlich werden die Sensorsignale, analoges Cosinus-Signal 36 und analoges Sinus-Signal 35, auch an der digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung 11 vorbei über eine analoge Signalkonditionierungseinheit 70 geführt und an jeweils einem Ausgang 61, 62 als sichere Ausgabesignale für die Auswerteeinheit 71 bereitgestellt. Dazu ist jeder der Einzelsensoren 40, bzw. dessen beiden Empfängerspulen 33, mit einem analogen Demodulator 50 verbunden. Anschließend wird jedes demodulierte Sensorsignal über einen analogen Verstärker 51 dem Ausgang 61 bzw. 62 und somit der Auswerteeinheit 71 zugeführt.
  • Gemäß dem dargestellten Beispiel wird zusätzlich jedes demodulierte Signal als analoges Offsetsignal 52 der digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung 11 zugeführt, in welcher daraus ein analoger Verstärkungsfaktor 53 ermittelt wird, der wiederum dem analogen Verstärker 51 zugeführt wird. Alternativ könnte auch eine autarke digitale Offsetregelung vorgesehen sein. Nach dem Verstärker 51 handelt es sich bei dem Signal somit um ein analog aufbereitetes Cosinus-Signal bzw. Sinus-Signal.
  • Die analog aufbereiteten Signale stellen die sicheren Ausgabesignale dar und weisen zwar eine geringer Positionsgenauigkeit als die digital aufbereiteten Signale auf, jedoch kann damit die Bereitstellung von funktionaler Sicherheit gewährleistest werden. Mittels der digital aufbereiteten Signale kann eine hochgenaue Positions- und/oder Geschwindigkeitsinformation bereitgestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Positionsmessvorrichtung
    11
    digitale Signalverarbeitungsvorrichtung
    20
    Maßverkörperung
    22
    Markierung
    25
    Messrichtung
    27
    erster Abstand
    30
    Abtastkopf
    31
    Senderspule
    32
    Senderwechselstrom
    33
    Empfängerspule
    35
    analoges Sinus-Signal
    36
    analoges Cosinus-Signal
    37
    zweiter Abstand
    50
    analoger Demodulator
    51
    analoger Verstärker
    52
    analoges Offsetsignal
    53
    analoger Verstärkungsfaktor
    60
    digitales Signal
    61
    analog aufbereitetes Sinus-Signal
    62
    analog aufbereitetes Cosinus-Signal
    70
    Signalkonditionierungseinheit
    71
    Auswerteeinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6295992 B1 [0004]

Claims (13)

  1. Abtastkopf (30) zur Abtastung einer Maßverkörperung (20), auf der in Messrichtung (25) periodisch Markierungen (22) mit einer Periode (27) ausgebildet sind, wobei der Abtastkopf (30) wenigstens zwei Einzelsensoren (40) zur Erzeugung von Sensorsignalen (36, 35) durch Abtastung der Markierungen (22) und eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (11) aufweist, wobei die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (11) dazu eingerichtet ist, aus den Sensorsignalen (36, 35) wenigstens ein hochgenaues Ausgabesignal (60) zu erzeugen, wobei der Abtastkopf dazu eingerichtet ist, wenigstens zwei verschiedene Arten von Ausgabesignalen (60, 61, 62) auszugeben, wobei die wenigstens zwei verschiedenen Arten von Ausgabesignalen (60, 61, 62) wenigstens ein sicheres Ausgabesignal (61, 62) und das wenigstens eine hochgenaue Ausgabesignal (60) umfassen.
  2. Abtastkopf nach Anspruch 1, der dazu eingerichtet ist, das wenigstens eine sichere Ausgabesignal nicht durch digitale Signalverarbeitung aus den Sensorsignalen (36, 35) zu erzeugen.
  3. Abtastkopf nach Anspruch 1 oder 2, der wenigstens eine Signalkonditionierungseinheit (70) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das wenigstens eine sichere Ausgabesignal durch analoge Signalverarbeitung aus den Sensorsignalen (36, 35) zu erzeugen.
  4. Abtastkopf nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine Signalkonditionierungseinheit (70) einen Signal-Demodulator (50) aufweist.
  5. Abtastkopf nach Anspruch 4, wobei der Signal-Demodulator (50) signalübertragend mit der digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung (11) verbunden ist, um der digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung (11) ein Offset-Signal zuzuführen.
  6. Abtastkopf nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei die wenigstens eine Signalkonditionierungseinheit (70) einen Signal-Verstärker (51) aufweist.
  7. Abtastkopf nach Anspruch 6, wobei der Signal-Verstärker (51) signalübertragend mit der digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung (11) verbunden ist, um von der der digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung (11) einen Verstärkungsfaktor zu erhalten.
  8. Abtastkopf nach Anspruch 7 in Rückbezug zumindest auf Anspruch 5, wobei die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (11) dazu eingerichtet ist, den Verstärkungsfaktor anhand des Offset-Signals zu bestimmen.
  9. Abtastkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder der wenigstens zwei Einzelsensoren (40) zwei Empfängerspulen (33), die in Messrichtung (27) nebeneinander angeordnet und differentiell verschaltet sind, aufweist.
  10. Abtastkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder der wenigstens zwei Einzelsensoren (40) eine Senderspule (31) aufweist.
  11. Positionsmessvorrichtung (10) mit einem Abtastkopf (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einer Maßverkörperung (20), auf der in Messrichtung (25) periodisch Markierungen (22) mit einer Periode (27) ausgebildet sind.
  12. Positionsmessvorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei die wenigstens zwei Einzelsensoren (40) in Messrichtung (25) einen Abstand (37) voneinander aufweisen, wobei der Abstand (37) ein Vielfaches ergänzt um einen Bruchteil der Periode (27) beträgt.
  13. Positionsmessvorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei der Bruchteil ein Viertel beträgt.
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