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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung einer Position eines längs eines Bewegungswegs bewegbaren Messelements, mit einer Sensoranordnung, die mehrere zumindest längs eines Teilabschnitts des Bewegungswegs angeordnete Sensoren umfasst, die jeweils für eine kontaktlose Erfassung wenigstens einer von einer Position eines Messelements längs des Bewegungswegs abhängigen physikalischen Größe sowie für eine Bereitstellung wenigstens eines von der wenigstens einen ermittelten physikalischen Größe abhängigen Sensorsignals ausgebildet sind, sowie mit einer Verarbeitungseinrichtung, die elektrisch mit den Sensoren verbunden ist und die für eine Verarbeitung der Sensorsignale zu wenigstens einem Positionssignal, das die Position wenigstens eines Messelements längs des Bewegungswegs repräsentiert, ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Messelements längs eines Bewegungswegs.
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Aus der
EP 2 466 269 B1 ist eine Positionssensoreinrichtung mit mehreren Sensoreinheiten bekannt, wobei die Sensoreinheiten jeweils mindestens eine zum Detektieren einer sich in der Nähe befindlichen Bewegungskomponente geeignete Erfassungseinheit beinhalten und mit einer Kommunikationsschnittstelle verbunden sind, die zur Ausgabe eines auf individuellen Messsignalen der mehreren Sensoreinheiten basierenden einheitlichen Positionssignals, ausgebildet ist, wobei die Sensoreinheiten als mit elektrischen Schnittstellenmitteln ausgestattete individuelle Sensormodule ausgebildet sind, die unter gegenseitiger elektrischer Verkettung und Bildung eines Modulstranges in variabler Anzahl aneinanderreihbar sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Sensorsystem und ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Messelements längs eines Bewegungswegs mit einer verbesserten Genauigkeit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird für ein Sensorsystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung für eine synchrone Erfassung von Sensorsignalen der Sensoren ausgebildet ist.
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Hierdurch wird eine Erstellung eines präzisen Positionsabbilds für wenigstens ein Messelement, vorzugweise für mehrere, insbesondere für sämtliche längs des Bewegungswegs angeordneten Messelemente ermöglicht. Aufgrund der synchronen Erfassung der Sensorsignale können Messfehler eliminiert werden, die auf eine zeitlich aufeinanderfolgende und damit sequenzielle Erfassung von Sensorsignalen der Sensorelemente zurückzuführen sind, wie dies beim Stand der Technik vorgesehen ist. Ein derart präzises Positionsabbild ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn ein oder mehrere Messelemente mit gleicher oder unterschiedlicher Geschwindigkeit längs des Bewegungswegs bewegt werden und entweder eine Einflussnahme auf die Bewegungen des Messelements oder der Messelemente anhand des wenigstens einen ermittelten Positionssignals vorgesehen ist oder eine Einflussnahme auf Bearbeitungseinrichtungen, die zur Bearbeitung der Messelemente oder von den Messelementen zugeordneten Werkstücken vorgesehen sind, erfolgen soll. Beispielhaft kann vorgesehen sein, anhand des wenigstens einen ermittelten Positionssignals einen Einfluss auf eine Bewegungseinrichtung zu nehmen, die für eine Bewegung des Messelements oder der Messelemente eingesetzt wird, um dem Messelement / den Messelementen ein vorgebbares Geschwindigkeitsprofil aufzuprägen. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, eine oder mehrere Bearbeitungseinrichtungen anhand des wenigstens einen ermittelten Positionssignals anzusteuern, um eine angepasste Bearbeitung wenigstens eines der Messelemente oder eines dem jeweiligen Messelement zugeordneten Werkstücks zu ermöglichen. Rein exemplarisch ist zur Verdeutlichung der Einflussmöglichkeiten eine Laserbeschriftung eines Werkstücks zu nennen, das einem Messelement zugeordnet ist und das mit einer vorgegebenen oder variablen Geschwindigkeit an einer als Laserbeschriftungsanlage ausgebildeten Bearbeitungseinrichtung vorbeigeführt wird, wobei der Beschriftungsvorgang in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Werkstücks angepasst wird, um unabhängig von der Geschwindigkeit des Werkstücks stets die gleiche Beschriftung aufbringen zu können. Selbst wenn längs des Bewegungswegs nur ein einziges Messelement positioniert ist oder bewegt wird, ermöglicht die erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung eine hochgenaue Ermittlung der Position und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Messelements, da durch die synchrone Erfassung der Sensorsignale der Sensorelemente in der Verarbeitungseinrichtung die Einflüsse von unterschiedlichen Signallaufzeiten, wie sie bei einem seriellen Auslesevorgang für mehrere Sensoren auftreten, minimiert oder vollständig eliminiert werden können.
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Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Verarbeitungseinrichtung eine parallele Erfassung von Sensorsignalen, insbesondere sämtlicher Sensorsignale der längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs angeordneten Sensoren, vorgesehen. Zur Gewährleistung der Synchronität bei der Erfassung der Sensorsignale der Sensoren kann die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet sein, alle synchron zu erfassenden Sensoren zeitgleich anzusprechen und ebenfalls zeitgleich die von den angesprochenen Sensoren bereitgestellten Sensorsignale für eine weitere Verarbeitung zwischenzuspeichern. Beispielhaft ist vorgesehen, alle zu erfassenden Sensoren durch ein einziges Triggersignal anzusprechen, wobei dieses Triggersignal ausgehend von einem Taktgeber über parallel verzweigte Leitungen an alle zu erfassenden Sensoren ausgegeben wird. Bei Eintreffen des Triggersignals an den einzelnen Sensoren stellen diese unmittelbar ihr Sensorsignal an die Verarbeitungseinrichtung zur Verfügung, so dass die Synchronität gewährleistet ist. Dies gilt insbesondere im Hinblick darauf, dass Verzögerungen zwischen den in der Verarbeitungseinrichtung eintreffenden Sensorsignalen allenfalls durch unterschiedliche elektrische Leitungslängen und/oder schaltungsbedingte Toleranzen der einzelnen Sensoren auftreten können, die jedoch angesichts der Laufzeiten für die elektrischen Signale und angesichts der zu erfassenden Geschwindigkeiten, die beispielsweise bei Transportsystemen im Bereich von wenigen mm/s bis 10 m/s anzunehmen sind, völlig vernachlässigbar sind.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Sensoren entlang des gesamten Bewegungswegs angeordnet sind. Aus praktischen Gründen kann es vorteilhaft sein, wenn die Sensoren nur entlang des Teilabschnitts des Bewegungswegs angeordnet sind, wobei durch geeignete Maßnahmen erreicht werden kann, dass eine Erfassung von Messelementen auch innerhalb eines vorgebbaren Bereich abseits des Teilabschnitts des Bewegungswegs möglich ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Sensoren für eine Ermittlung wenigstens einer physikalischen Größe aus der Gruppe: magnetische Feldstärke, magnetische Feldrichtung, elektromagnetische Induktion, elektrische Feldstärke, Beleuchtungsstärke, Schallintensität, insbesondere als mehrdimensionale Hall-Sensoren, ausgebildet sind. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass das Messelement als Permanentmagnet ausgebildet ist und ein Magnetfeld bereitstellt, das von den jeweiligen Sensoren erfasst werden kann. Dabei können die Sensoren exemplarisch als Hallsensoren, insbesondere als zumindest zweidimensionale Hallsensoren, ausgebildet sein. Alternativ können die Sensoren auch als Spulen ausgebildet sein, in denen durch eine Relativbewegung des als Permanentmagneten ausgebildeten Messelements eine Spannung induziert wird, die ebenfalls als Sensorsignal ausgewertet werden kann. Bei einer alternativen Ausführungsform der Sensoren sind diese in der Art von induktiven Näherungsschaltern ausgebildet, bei denen eine Schwingungsfrequenz eines Schwingkreises, der eine Induktionsspule umfasst, durch die Anwesenheit eines beispielsweise ferritischen Messelements verstimmt wird und daraus eine Information über die relative Position des Messelements zum Sensor gewonnen werden kann. Ausführungen der Sensoren als kapazitive Messaufnehmer oder optische Messaufnehmer können ebenfalls ergänzend oder alternativ vorgesehen werden.
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Bei der Verwendung von Hallsensoren können insbesondere dreidimensionale Hallsensoren vorgesehen werden, die für eine Ermittlung von magnetischen Feldstärken in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen ausgebildet sind. Vorzugsweise wird für eine reine Positionserfassung lediglich eine Auswertung von zwei Signalen des dreidimensionalen Hallsensors vorgesehen, die durch zwei zueinander senkrecht ausgerichtete Feldstärkekomponenten hervorgerufen werden, während ein drittes Signal, das von einer dritten Feldstärkekomponente bestimmt wird, unbeachtet bleibt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden für die Positionserfassung genutzten magnetischen Feldstärkekomponenten mit der gleichen Hallsensor-Messzelle ermittelt werden, die abwechselnd in zueinander senkrechten Richtungen ausgelesen wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs benachbart angeordnete Sensoren derart angeordnet sind, dass längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs stets eine Erfassung des Messelements durch wenigstens zwei Sensoren, die jeweils einen vorgebbaren Mindestpegel des Sensorsignals bereitstellen, gewährleistet ist. Somit kann stets ein Abgleich von Sensorsignalen benachbart angeordneter Sensoren vorgenommen werden, um ein besonders präzises Positionssignal zu erhalten. Sofern die Sensoren in unterschiedlichen, insbesondere unregelmäßigen Abständen längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs zueinander angeordnet sind, kann vorgesehen sein, in der Verarbeitungseinrichtung eine Fehlerkompensation für die Sensorsignale vorzunehmen, um die unterschiedlichen Abstände zwischen den Sensoren und die daraus resultierenden Abweichungen in den Sensorsignalen zu eliminieren. Eine derartige Kompensation kann beispielsweise durch eine vorausgehende Kalibrierung des Sensorsystems erfolgen, bei dem ein oder mehrere Messelemente mit einem hochpräzisen Wegmesssystem versehen werden und Sensorsignale des Wegmesssystems mit den Sensorsignalen des Sensorsystems abgeglichen werden und beispielsweise in Form einer Kalibrierungskurve in der Verarbeitungseinrichtung abgelegt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Sensoren längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs gleichmäßig mit einer ersten Teilung angeordnet ist und/oder dass zumindest ein Teil der Sensoren, insbesondere alle Sensoren, auf einer Bestückungsbahn, insbesondere einer Bestückungsgeraden, angeordnet sind, die parallel zum Teilabschnitt des Bewegungswegs verläuft.
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Als Teilung wird hierbei der Abstand benachbarter Sensorzellen angesehen, die jeweils in diskret ausgebildeten Gehäusen aufgenommen sind, während ein Abstand benachbarter Gehäuse als Gehäuseabstand bezeichnet wird. Die Sensorsignale derjenigen Sensoren, die gleichmäßig mit einer ersten Teilung längs des Bewegungswegs angeordnet sind, können vorzugsweise ohne eine vorausgegangene Kalibrierung des Sensorsystems genutzt werden, da Positionsabweichungen dieser Sensoren lediglich von einer Bestückungstoleranz abhängen, die sich bei der Montage der Sensoren beispielsweise auf eine gedruckte Schaltung ergeben. Da derartige Positionsabweichungen üblicherweise im Bereich von wenigen 1/100 Millimetern liegen, ist es möglich, die von diesen Sensoren bereitgestellten Sensorsignale rein mathematisch untereinander abzugleichen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Anordnung von Sensoren mit der ersten Teilung zu einem Gehäuseabstand zwischen diskret ausgebildeten, einzeln bestückten Sensoren führt, der sich anhand der Erfassungsbereiche der Sensoren und einem Einflussbereich der Messelemente bemisst und der in praktischer Hinsicht beispielhaft wenigstens 50 Prozent einer Erstreckung der verwendeten Gehäuse für die Sensoren längs des Bewegungswegs entspricht. Hierdurch wird ein kostengünstiges Sensorsystem ermöglicht, bei dem ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der geforderten Überschneidung von Erfassungsbereichen benachbarter Sensoren und der Anzahl von verwendeten Sensoren getroffen werden kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Messelemente derart an beweglichen Komponenten wie beispielsweise Läufern eines Linearmotorsystems angebracht sind, dass benachbarte Messelemente stets einen Abstand zueinander aufweisen, der zumindest nahezu einer 2-fachen Teilung der in regelmäßiger erster Teilung angeordneten Sensoren entspricht. Hierdurch kann eine unerwünschte Einflussnahme eines weiter entfernt liegenden Messelements auf Sensorsignale von Sensoren unterdrückt werden kann, die ein näher angeordnetes Messelement erfassen sollen.
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Da vorzugsweise vorgesehen ist, dass zumindest ein Teil der Sensoren, insbesondere alle Sensoren, auf einer Bestückungsbahn, insbesondere einer Bestückungsgeraden, angeordnet sind, die parallel zum Teilabschnitt des Bewegungswegs verläuft, können weitere Toleranzeinflüsse auf die Sensorsignale der Sensoren minimiert werden. Insbesondere ist ein Abstand zwischen den jeweiligen Sensoren und dem Messelement quer zum Bewegungsweg zumindest im Wesentlichen konstant und hat somit nur einen geringen, vorzugsweise einen verschwindenden, Einfluss auf die Sensorsignale der Sensoren. Dies gilt insbesondere dann, wenn mithilfe eines mehrdimensionalen Hallsensors zwei zueinander senkrechten Feldkomponenten eines vom Messelement bereitgestellten magnetischen Flusses ermittelt werden, wobei eine erste Magnetfeldkomponente längs des Bewegungswegs erstreckt ist und wobei eine zweite Feldkomponente quer zum Bewegungsweg und quer zu einer magnetischen Polung des Messelements ausgerichtet ist. In diesem Fall stellen sich an jedem der Sensoren bei einer Relativbewegung des Messelements Verläufe für die jeweiligen Feldkomponenten ein, die einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion entsprechen und die im Sensor oder in der Verarbeitungseinrichtung unter Zuhilfenahme einer Arcustangensfunktion in ein linearisiertes Sensorsignal umgerechnet werden, das unabhängig von einem Abstand zwischen Sensor und Messelement in einer Richtung quer zum Bewegungsweg ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn an wenigstens einem Endbereich des Teilabschnitts des Bewegungswegs zwei benachbart angeordnete Sensoren, insbesondere ein erster und ein zweiter längs des Bewegungswegs angeordneter Sensor und/oder ein vorletzter und ein letzter längs des Bewegungswegs angeordneter Sensor, mit einer zweiten Teilung angeordnet sind, die kleiner als die erste Teilung gewählt ist. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass eine Position eines Messelements auch dann noch mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden kann, wenn sich dieses Messelement innerhalb eines vorgebbaren Messfensters abseits des Teilabschnitts des Bewegungswegs befindet. Hierbei wird in gleicher Weise wie bei einer Anordnung des Messelements längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs zugrundegelegt, dass wenigstens zwei Sensoren jeweils einen vorgebbaren Mindestpegel des Sensorsignals bereitstellen. Sofern sich das Messelement innerhalb des vorgebbaren Messfensters befindet, liefern beispielsweise ein erster und ein zweiter längs des Bewegungswegs angeordneter Sensor oder ein vorletzter und ein letzter längs des Bewegungswegs angeordneter Sensor jeweils noch Sensorsignale, die die Anforderungen an den vorgebbaren Mindestpegel für das Sensorsignal erfüllen und somit auch einen Abgleich der beiden Sensorsignale ermöglichen, wodurch die gewünschte Präzision in der Positionsbestimmung ermöglicht wird. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung jeweils an Endbereichen des Teilabschnitts des Bewegungswegs genau zwei in der zweiten Teilung zueinander angeordnete Sensoren aufweist, während alle übrigen Sensoren gemäß der ersten Teilung zueinander angeordnet sind. Daraus resultiert, dass ein erster und ein zweiter längs des Bewegungswegs angeordneter Sensor einen der zweiten Teilung entsprechenden Abstand aufweisen, während der Abstand des zweiten Sensors zum dritten Sensor der ersten Teilung entspricht. Ferner sind auch der vorvorletzte und der vorletzte Sensor mit einem Abstand gemäß der ersten Teilung angeordnet, während ein Abstand zwischen dem vorletzten Sensor und dem letzten Sensor der zweiten Teilung entspricht. Exemplarisch kann vorgesehen sein, dass ein Gehäuseabstand für Sensoren, die gemäß der ersten Teilung angeordnet sind, zumindest ungefähr einer Erstreckung des Gehäuses längs des Bewegungswegs entspricht, während ein Gehäuseabstand von Sensoren, die gemäß der zweiten Teilung angeordnet sind, beispielhaft als produktionstechnisch bedingter Minimalabstand zwischen den benachbarten Gehäusen der Sensoren ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass jeder der Sensoren in einem separat ausgebildeten Gehäuse aufgenommen ist und auf einer längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs erstreckten, gedruckten Schaltung angeordnet ist und/oder dass die Verarbeitungseinrichtung eine Vielzahl von Sensorschnittstellen, insbesondere Seriell-Peripherie-Schnittstellen für eine parallele Kopplung mit den Sensoren umfasst, wobei jede der Sensorschnittstellen mit einem Taktgeber verbunden ist, der für eine Bereitstellung eines Auslesesignals an die Schnittstellen ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn alle Sensoren in identisch ausgebildeten Gehäusen aufgenommen sind, die insbesondere als SMD-Gehäuse für eine Oberflächen-Lötmontage ausgebildet sind. Für eine ortsfeste Anordnung der Sensoren längs des Bewegungswegs sowie eine elektrische Anbindung der Sensoren an die Verarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise vorgesehen, die Sensoren auf einer gedruckten Schaltung anzuordnen, bei der es sich beispielsweise um eine Leiterplatte oder um eine flexible Leiterfolie handeln kann und die in definierter Weise an einer Komponente festgelegt werden, die den Bewegungsweg bestimmt, insbesondere als Stator einer Linearmotoranordnung ausgebildet ist. Die Verarbeitungseinrichtung kann beispielhaft als programmierbarer Gatterbaustein (FPGA – Field Programmable Gate Array) ausgebildet sein und umfasst eine Vielzahl von Sensorschnittstellen, so dass jeder der Sensoren, die längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs angeordnet sind, über eine eigene Sensorschnittstelle mit der Verarbeitungseinrichtung kommunizieren kann. Ferner ist vorgesehen, dass jede der Sensorschnittstellen mit einem Taktgeber verbunden ist, der für eine Bereitstellung eines Auslesesignals an die Schnittstellen ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Taktgeber als Oszillator mit einer vorgebbaren oder fest eingestellten Taktfrequenz ausgebildet, so dass eine regelmäßige Bereitstellung von Triggersignalen an die Sensorschnittstellen erfolgt, die dementsprechend in regelmäßigen Zeitabständen ihre zugeordneten Sensoren auslesen und die ausgelesenen Sensorsignale der weiteren Verarbeitung zuführen können. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Taktgeber Triggersignale in unregelmäßigen Zeitabständen ausgibt, beispielsweise in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebszuständen des Sensorsystems und/oder dem Zustand einer nachgeschalteten Steuereinrichtung.
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Exemplarisch kann vorgesehen werden, dass die Sensorschnittstellen als serielle Peripherieschnittstellen (SPI – Serial-Peripheral Interface) ausgebildet sind, um eine kostengünstige und robuste Kommunikation zwischen den Sensoren und der Verarbeitungseinrichtung zu gewährleisten.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Verarbeitungseinrichtung elektrisch mit einer, insbesondere als Synchron-Serielle-Schnittstelle (SSI) oder als Drive-Cliq-Busschnittstelle (Drive-Cliq ist eine eingetragene Marke der Siemens AG), ausgebildete Ausgangsschnittstelle verbunden ist, die für eine Bereitstellung des wenigstens einen Positionssignals an ein, vorzugsweise als Mehrleiteranordnung oder als Bussystem ausgebildetes, Kommunikationssystem eingerichtet ist. Die Ausgangsschnittstelle hat die Aufgabe, die in der Verarbeitungseinrichtung ermittelten Positionssignale an eine, insbesondere übergeordnete, Steuerungseinrichtung weiterzugeben. Diese Steuerungseinrichtung kann beispielhaft dazu vorgesehen sein, Einfluss auf die Messelemente oder auf den Messelementen zugeordnete Komponenten und/oder auf Bearbeitungseinrichtungen, die zur Bearbeitung der Messelemente oder der Komponenten vorgesehen sind, zu nehmen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung elektrisch mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden ist, die längs einer parallel zum Teilabschnitt des Bewegungswegs verlaufenden Bestückungsbahn angeordnete Anzeigeelemente umfasst, die für eine Ausgabe von Statussignalen in Abhängigkeit von den ermittelten Positionssignalen ausgebildet sind und/oder dass der Teilabschnitt des Bewegungswegs durch einen Stator eines Linearantriebssystems gebildet ist, wobei das Messelement einem längs des Stators bewegbaren Träger zugeordnet ist. Beispielhaft kann die Anzeigeeinrichtung aus aneinandergereihten Leuchtdioden gebildet sein, die derart von der Verarbeitungseinrichtung angesteuert werden, dass jeweils diejenigen Leuchtdioden mit maximaler Intensität aufleuchten, die einen minimalen Abstand zum jeweiligen Messelement haben. Hierdurch wird eine besonders schnell erfassbare Visualisierung für die Position der Messelements längs des Bewegungswegs ermöglicht. Das Sensorsystem kann in vorteilhafter Weise zur Erfassung von Trägern eines, insbesondere eines fluidisch betreibbaren oder elektrisch betreibbaren, Linearantriebssystems eingesetzt werden und wird vorzugsweise an einem Stator des Linearantriebssystems festgelegt, bei dem es sich beispielhaft um ein Zylindergehäuse eines Hydraulikzylinders oder Pneumatikzylinders oder um ein Gehäuse eines hydraulischen oder pneumatischen Schwenkantriebs oder um eine Spulenanordnung eines elektrodynamischen Linearmotors handelt. Bei dem Träger kann es sich beispielhaft um einen schiebebeweglich in einem Zylindergehäuse aufgenommenen Kolben eines Fluidzylinders oder um einen Läufer für einen elektrodynamischen Linearmotor handeln.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Messelements längs eines Bewegungswegs gelöst, das die folgenden Schritte umfasst: kontaktlose Erfassung wenigstens einer physikalischen Größe, die von der Position eines Messelements längs des Bewegungswegs abhängig ist, mit mehreren längs eines Teilabschnitts des Bewegungswegs angeordneten Sensoren, synchrones Erfassen von Sensorsignalen der Sensoren durch eine Verarbeitungseinrichtung, die elektrisch mit den Sensoren verbunden ist, Verarbeitung der Sensorsignale zu wenigstens einem Positionssignal, das die Position wenigstens eines Messelements längs des Bewegungswegs repräsentiert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sensoren zur Erfassung von Magnetfeldkomponenten wenigstens eines von wenigstens einem Messelement bereitgestellten Magnetfelds ausgebildet sind und dass vom jeweiligen Sensor wenigstens zwei zueinander senkrecht ausgerichtete Magnetfeldkomponenten erfasst und zu einem Sensorsignal verarbeitet werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung die synchron erfassten Sensorsignale der Sensoren mit einem vorgebbaren Mindestpegel für das Sensorsignal vergleicht und diejenigen Sensorsignale zumindest paarweise benachbart längs des Teilabschnitts des Bewegungswegs angeordneter Sensoren zu wenigstens einem Positionssignal verarbeitet, die oberhalb des vorgebbaren Mindestpegels liegen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems, das zur Erfassung von Messelementen eingesetzt wird, die an Wagen für ein nicht näher dargestelltes Linearantriebssystem befestigt sind, und
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2 eine stark schematisierte Darstellung von Erfassungsbereichen und Signalpegeln einzelner Sensoren des in 1 dargestellten Sensorsystems, und
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3 eine nicht zur Erfindung gehörende Ausschnittvergrößerung einer Anordnung mehrerer Sensoren mit identischer Teilung.
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Ein in der 1 dargestelltes Sensorsystem 1 ist zur Erfassung von Positionen mehrerer längs eines Bewegungswegs 2 bewegbarer Messelemente 3 ausgebildet. Rein exemplarisch sind die Messelemente 3 als quaderförmige Permanentmagnete mit einer quer zum Bewegungsweg 2 ausgerichteten, jeweils durch Pfeile symbolisierten Nord-Süd-Magnetisierung ausgebildet und an linearbeweglich längs des Bewegungswegs 2 bewegbaren Wagen 4 einer nicht näher dargestellten Linearmotoranordnung angebracht. Für eine Positionserfassung dieser Wagen 4 umfasst das Sensorsystem 1 mehrere Sensoren 5, die exemplarisch in rechteckigen Gehäusen 6 aufgenommen sind, wobei die Gehäuse 6 beispielhaft auf einer rechteckig ausgebildeten gedruckten Schaltung 7 elektrisch leitend und mechanisch fest mit dieser verbunden angeordnet sind. Jeder der Sensoren 5 umfasst eine nicht näher dargestellte Messzelle, die zur Erfassung einer physikalischen Größe ausgebildet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Messzellen der Sensoren 5 beispielhaft jeweils als mehrdimensionale Hallsensoren ausgebildet, die exemplarisch längs des Bewegungswegs 2 und normal zur Darstellungsebene der 1 ausgerichtete Magnetfeldkomponenten des vom Messelement 3 bereitgestellten Magnetfelds ermitteln können. Zur Kennzeichnung der Position der jeweiligen Messzelle innerhalb des Sensors 5 ist jeder der Sensoren 5 mit einem Zentrumspunkt versehen.
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Die Sensoren 5 sind über Sensorleitungen 8 jeweils elektrisch mit einer Verarbeitungseinrichtung 9 verbunden, die für eine synchrone Erfassung von Signalpegeln der jeweiligen Sensoren 5 und für eine Verarbeitung der ermittelten Signalpegel zu wenigstens einem Positionssignal ausgebildet ist. Rein exemplarisch ist die Verarbeitungseinrichtung 9 als FPGA ausgebildet und umfasst für jeden Sensor 5 eine eigene Sensorschnittstelle 10. Die Verarbeitungseinrichtung 9 umfasst ferner eine Ausgangsschnittstelle 11, die für eine Kommunikation mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuerungseinrichtung oder mit einem weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Sensorsystem ausgebildet sein kann. Exemplarisch ist die Ausgangsschnittstelle als Drive-Cliq-Busschnittstelle ausgebildet und ermöglicht damit eine Buskommunikation mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuerung des Steuerungsherstellers Siemens, die für eine Ankopplung von Sensoren mit Hilfe des Drive-Cliq-Busprotokolls ausgebildet ist.
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Die Sensoren 5 sind beispielhaft entlang einer parallel zum Bewegungsweg verlaufenden, beim gezeigten Ausführungsbeispiel geradlinigen Bestückungsbahn 12 auf die gedruckte Schaltung 7 aufgebracht. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Sensoren 5 für eine Oberflächen-Lötmontage (SMD surface mount device) ausgebildet sind und bei der Herstellung des Sensorsystems 1 mit Hilfe eines nicht dargestellten, automatischen Bestückungssystems im Pick-and-Place-Verfahren auf die gedruckte Schaltung 7 aufgesetzt werden.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Sensoren 5 längs des Bewegungswegs 2 in zwei unterschiedlichen Teilungen angeordnet sind. Bei einer Betrachtung der Sensoren 5 von links nach rechts sind der erste Sensor 5.1 und der zweite Sensor 5.2 mit minimalem Abstand 15 zueinander angeordnet, der sich aufgrund der Größe der Gehäuse 6 ergibt. Die auf den zweiten Sensor 5.2 folgenden Sensoren 5.3, 5.4, 5.5 und 5.6 sind hingegen mit einem vergrößerten Abstand 16 angeordnet. Die beiden letzten Sensoren 5.6 und 5.7 sind hingegen wieder mit den minimalen Abstand 15 zueinander angeordnet. Dabei kann der größere Abstand 16 auch als erste Teilung bezeichnet werden, während der kleine Abstand 15 auch als zweite Teilung bezeichnet werden kann.
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Die Verarbeitungseinrichtung 9 ist dazu eingerichtet, nur Sensorsignale derjenigen Sensoren 5 zu verarbeiten, deren Signalpegel oberhalb eines vorgebbaren Mindestpegels liegt. Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung 9 dazu eingerichtet, nur dann ein Positionssignal für eine Position eines Messelements an die Ausgangsschnittstelle 11 bereitzustellen, wenn zumindest zwei benachbart angeordnete Sensoren 5 jeweils ein Sensorsignal mit einem oberhalb des vorgebbaren Mindestpegels liegenden Signalpegel bereitstellen und wenn ein Abgleich der beiden Sensorsignale zu einem plausiblen Positionssignal führt. Durch diese vorstehend angeführten Bedingungen ergibt sich, dass das Sensorsystem 1 nicht für eine Erfassung des gesamten Bewegungswegs 2 ausgebildet ist, sondern für eine Erfassung eines in der 1 symbolisch eingezeichneten Teilabschnitts 17 des Bewegungswegs 2.
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Darüber hinaus ist die Verarbeitungseinrichtung 9 durch ihre interne Architektur, die insbesondere als FPGA ausgebildet sein kann, dazu eingerichtet, die Sensorsignale sämtlicher Sensoren 5 synchron zu erfassen. Hierdurch werden Fehlereinflüsse vermieden, wie sie beispielsweise bei der Erfassung von bewegten Messelementen 3 und einer sequenziellen Erfassung von Sensorsignalen von Sensoren auftreten könnten. Vielmehr wird durch eine synchrone Ansteuerung sämtlicher Sensorschnittstellen 10 mit einem der Verarbeitungseinrichtung 9 zugeordneten, nicht dargestellten Taktgeber, eine ebenfalls synchrone Abfrage sämtlicher Sensoren 5 durch die Verarbeitungseinrichtung 9 vorgenommen. Die an den Sensorschnittstellen 10 eintreffenden Sensorsignale können anschließend wahlweise parallel oder sequenziell in der Verarbeitungseinrichtung 9 zu einem Positionssignal oder gegebenenfalls zu mehreren Positionssignalen weiterverarbeitet werden, dies hängt davon ab, ob sich innerhalb des vom Sensorsystem 1 erfassbaren Teilabschnitt 17 des Bewegungswegs 2 lediglich ein Messelement 3 oder mehrere Messelemente 3 befinden.
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Wie aus der Darstellung der 1 und 2 entnommen werden kann, erstreckt sich der Teilabschnitt 17 des Bewegungswegs 2 seitlich über eine Längenerstreckung 18 hinaus, die von den Gehäusen 6 der Sensoren 5 bestimmt wird. Die Grenzen 19, 20 des Teilabschnitts 17 ergeben sich durch eine Wechselwirkung einer stark schematisiert dargestellten magnetischen Mindestflussdichte 21 des als Permanentmagnet ausgebildeten Messelements 3 mit jeweils rein exemplarisch dreiecksförmig ausgebildeten Erfassungsbereichen 22 der Sensoren 5. Dabei wird beispielhaft davon ausgegangen, dass ein Sensor 5 nur dann ein Sensorsignal mit einem Signalpegel oberhalb eines vorgebbaren Mindestpegelpegels bereitstellen kann, wenn eine Überschneidung der exemplarisch trapezförmig begrenzten magnetischen Mindestflussdichte 21 mit dem jeweiligen Erfassungsbereich 22 des Sensors 5 vorliegt. Beispielhaft ist das links in der 2 dargestellte Messelement 3 gerade so angeordnet, dass die Mindestflussdichte 21 sowohl den Erfassungsbereich 22 des Sensors 5.1 als auch des Sensors 5.2 überdeckt. Hieraus resultieren die unter den jeweiligen Sensoren 5 rein schematisch dargestellten Signalpegel. In gleicher Weise ergibt sich die rechte Grenze 20 für den Teilabschnitt 17, ohne dass hier ein entsprechendes Messelement 3 angeordnet ist. Sobald sich also ein Messelement 3 beispielhaft von links kommend längs des Bewegungswegs 2 an das Sensorsystem 1 annähert, stellen die Sensoren 5.1 und 5.2 ab demjenigen Zeitpunkt verwertbare Sensorsignale an die Verarbeitungseinrichtung 9 bereit, ab dem das Messelement 3 die linke Grenze 19 passiert hat. Ab diesem Zeitpunkt kann das Sensorsystem 1 stets jeweils wenigstens zwei verwertbare Sensorsignale zu einem Positionssignal verarbeiten, bis das Messelement 3 die rechte Grenze 20 passiert und somit nicht mehr die Bedingung erfüllt ist, dass die Erfassungsbereiche 22 von wenigstens zwei Sensoren 5 von der Mindestflussdichte 21 überdeckt sind.
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Exemplarisch umfasst das Sensorsystem 1 eine Anzeigeeinrichtung 30, die in nicht näher dargestellter Weise elektrisch mit der Verarbeitungseinrichtung 9 verbunden ist. Beispielhaft ist die Anzeigeeinrichtung 30 als Anreihung jeweils in gleicher Teilung angeordneter, insbesondere als Leuchtdioden ausgebildeter, Anzeigeelemente 31 verwirklicht. Mit der Anzeigeeinrichtung 30 können beispielsweise ermittelte Positionswerte für Messelemente 3 durch Aufleuchten und Erlöschen jeweils zugeordneter Anzeigeelemente 31 visualisiert werden, wie dies exemplarisch in der 1 dargestellt ist.
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Die 3 dient dazu, den Vorteil der Anordnung der Sensoren 5 mit unterschiedlichen Teilungen 15, 16 längs des Bewegungswegs 2 zu demonstrieren, wie dies bei dem Sensorsystem gemäß den 1 und 2 verwirklicht ist. Hierzu zeigt die 3 lediglich die beiden linken Sensoren 5.1 und 5.2, wie sie aus den 1 und 2 bekannt sind, wobei bei dem Sensorsystem gemäß der 3 alle Sensoren 5 in gleicher Teilung angeordnet sind, so dass ein Abstand 25 der beiden Sensoren 5.1 und 5.2 identisch wie der Abstand 23 für die aus den 1 und 2 bekannten Sensoren 5.3 bis 5.5 ist. Im Vergleich mit der 2 ist erkennbar, dass trotz des vergrößerten Abstands 16 zwischen den beiden Sensoren 5.1 und 5.2 bei der Ausführungsform der 3 ein Abstand 25 zwischen der linken Grenze 19 und dem zweiten Sensor 5.2 identisch mit dem Abstand 23 zwischen der linken Grenze 19 und dem zweiten Sensor 5.2 gemäß der 2 ist. Hieraus ergibt sich, dass trotz einer Vergrößerung der Längenerstreckung für das Sensorsystem gemäß der 3 keine Vergrößerung des von den Sensoren 5 erfassbaren Bewegungswegs 2 gegenüber der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 eintritt. Dementsprechend kann mit dem Sensorsystem gemäß der Ausführungsform der 1 und 2 ein Messelement 3 innerhalb eines Teilabschnitts 17 des Bewegungswegs 2 erfasst werden, der identisch zu einem nicht näher dargestellten Teilabschnitt für die Ausführungsform eines Sensorsystems gemäß der 3 ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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