DE102017118509A1 - Zylinder mit einer Kolbenstange und einem optischen Positionsmesser - Google Patents

Abstract

Zylinder mit einer Kolbenstange und einem optischen Positionsmesser, der auf eine an der Kolbenstange angeordnete Markierung gerichtet ist, die mindestens zwei von dem Positionssensor unterscheidbare Codeelemente aufweist, aus denen zwei jeweils aus mehreren Codeelementen bestehende Codezeichen (0, 1) und ein Trennzeichen (T) gebildet werden, wobei mehrere Codezeichen (0, 1) ein Codewort bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung eine Vielzahl von Codewörterpaaren aufweist, die paarweise eine vorbestimmte Gesamtlänge aufweisen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinder mit einer Kolbenstange und einem optischen Positionsmesser, der auf eine an der Kolbenstange angeordnete Markierung gerichtet ist.
• Für eine Positionsmessung an der Kolbenstange eines Zylinders ist bekannt, inkrementell die Position der Kolbenstange, ausgehend von einer Referenzmarke, zu erfassen. Eine solche Markierung wird eingesetzt, indem zuerst die Referenzmarke erfasst wird, wodurch eine Startposition bekannt ist und ausgehend von der bekannten Startposition über die weitere Markierung inkrementell die aktuelle Position der Kolbenstange bestimmt wird. Eine solche Markierung besitzt den Nachteil, dass je nach Position der Kolbenstange beim Start der Messung mitunter eine lange Referenzfahrt erforderlich ist, um die Referenzmarke als Ausgangspunkt für die inkrementelle Messung zu erfassen.
• Ebenso bekannt sind absolut messende Systeme, bei denen die Markierung auf der Kolbenstange einen Code trägt, mit dem die Absolutposition angegeben ist. Als nachteilig an der Codierung der Absolutposition hat sich herausgestellt, dass die Codierung der Position und der Aufbau des dafür notwendigen Sensors aufwendig ist.
• Aus WO 95/01510 ist ein hydraulischer, pneumatischer oder ein ähnlicher Zylinder bekannt geworden, der eine mit einer Markierung versehene Kolbenstange aufweist, auf die ein optischer Sensor gerichtet ist. Die auf der Kolbenstange vorgesehene Markierung erlaubt sowohl eine inkrementelle als auch eine absolute Codierung der Position. Zur Bestimmung der absoluten Position sind drei Leseköpfe vorgesehen, von denen zwei in Richtung der Markierung hintereinander angeordnet sind und so eine Auswertung der Geschwindigkeit gestatten. Der dritte Sensor misst unabhängig von den ersten beiden Sensoren und erlaubt das Lesen einer absoluten Position auf der Kolbenstange.
• Aus EP 1 426 737 B1 ist eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines beweglichen mechanischen Elements bekannt, ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Codierung. Bei der bekannten Codierung sind Codeelemente vorgesehen, die einen unterscheidbaren Teil einer optisch lesbaren Markierung bilden. Die aus mehreren Codeelementen bestehende Codierung bildet einen numerischen Wert in binären Ziffern (Bits). Der so codierte numerische Wert zeigt die Position auf der Kolbenstange an. Ein Codeelement besitzt auf der Oberfläche der Kolbenstange einen Abschnitt mit einer vorgegebenen Breite T. Zur Codierung einzelner Bits sind zwei Abschnitte vorgesehen, wobei ein Abstand der Breite von 1 T oder 2 T jeweils die binäre Ziffer 0 oder 1 anzeigt. Ferner sind Endmarkierungen in der Länge 4 T vorgesehen, die ein Paar von angrenzenden Flächen abtrennen. Zur Codierung ist es vorgesehen, pseudozufällige Binärfolgen zu verwenden. Über die zufällige Codierung wird mit Hilfe eines abgespeicherten Feldes die Position bestimmt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Zylinder mit einer Kolbenstange eine Markierung bereitzustellen, die zuverlässige und leicht zu lesende Positionsangaben enthält.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Zylinder mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
• Der erfindungsgemäße Zylinder besitzt eine Kolbenstange und einen optischen Positionsmesser, der auf eine an der Kolbenstange angeordnete Markierung gerichtet ist. Wird die Kolbenstange des Zylinders verfahren, so bewegt sich die Markierung relativ zu dem Positionsmesser. Die Markierung besitzt mindestens zwei für den optischen Positionssensor unterscheidbare Codeelemente. Die Codeelemente bilden die Grundbausteine für eine zuverlässige optische Positionserkennung. Aus den Codeelementen werden zwei Codezeichen gebildet. Ferner kann ein Trennzeichen aus mehreren Codeelementen gebildet sein. Es können zwei oder mehr verschiedene Codeelemente zur Bildung der Codezeichen vorgesehen sein. Aus hardwaretechnischen Gründen besitzen die beiden Codezeichen und das Trennstück bevorzugt jeweils eine andere physikalische Länge. In der logisch folgenden Ebene der Codierung bilden mehrere Codezeichen ein Codewort. Die Erfindung ist nun in besonderem Maße dadurch gekennzeichnet, dass die über die Kolbenstange sich erstreckende Markierung eine Vielzahl von Codewörterpaaren aufweist, die paarweise eine vorbestimmte Gesamtlänge besitzen. Der besondere Vorteil von Codewörterpaaren gleicher Länge liegt darin, dass beim Auslesen der Position von der Markierung, durch Codewörterpaare gleicher Länge eine Überprüfung der gelesenen Signale erfolgen kann. Tritt ein Fehler beim Lesen auf, so ist bekannt, wann der Lesevorgang zu einem Codewortpaar hätte abgeschlossen sein müssen und wann ein neuer Lesevorgang eingeleitet werden kann.
• Die Codewörter in einem Codewörterpaar grenzen aneinander.
• In einer bevorzugten Weiterbildung besitzen die beiden Codewörter in einem Codewörterpaar zusammen zwei Trennzeichen. Es hat sich als praktisch herausgestellt, wenn jedes Codewort von einem Trennzeichen gefolgt oder eingeleitet wird. Bei dieser Zuordnung ergibt es sich dann selbstverständlich, dass zwei Trennzeichen in einem Codewörterpaar enthalten sind.
• In einer vorbestimmten Ausgestaltung besitzt jedes Codewort eine vorbestimmte Anzahl von Codezeichen, die das Codewort bilden. Die unterschiedliche Länge der Codewörter kommt trotz der festgelegten Anzahl von Codezeichen zustande, wenn die Codeelemente oder die daraus gebildeten Codezeichen eine unterschiedliche Länge besitzen.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besitzen zwei mit Trennzeichen voneinander getrennte Codewörter mit jeweils n-Codezeichen einen Abstand (im Sinne eines Hamming-Abstands) von n oder (n-1)-Codezeichen. Abstand bedeutet hierbei die Anzahl an Codezeichen, die in einem Codewort gewandelt werden müssen, um von einem ersten Codewort zu einem zweiten Codewort zu gelangen. Ein solcher großer Abstand zwischen zwei Wörtern eines Codewörterpaares stellt sicher, dass, wenn bekannt ist, dass ein Codewörterpaar vorliegt, Lesefehler schnell entdeckt und möglicherweise auch korrigiert werden können.
• In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die beiden Codezeichen unterschiedliche Längen auf.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 einen hydraulischen Zylinder mit einer Kolbenstange, auf deren Markierung ein optischer Positionssensor gerichtet ist,
• 2 einen Ausschnitt aus der Kolbenstange,
• 3 einen beispielhaft vergrößerten Code und
• 4 eine beispielhafte Codierung mit drei Codeelementen und einem Trennzeichen nach jedem Codewortpaar.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert. Der besondere Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung von Codewörterpaaren, so dass für eine Erläuterung der Erfindung teilweise auf Figuren aus dem Stand der Technik, beispielsweise WO 95/01510 , zurückgegriffen werden kann. Die 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Zylinder, wobei es sich beispielsweise um einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder handeln kann. Der Zylinder 1 besitzt eine Zylinderhülse 2 und eine Kolbenstange 3. Die Kolbenstange 3 tritt durch eine auf einem Zylinderkopf 4 angeordnete Abdeckung 6 hindurch. Die Kolbenstange 3 ist gegenüber dem Zylinderinneren abgedichtet. Eine Messeinrichtung (nicht näher dargestellt) ist in die Abdeckung integriert und erfasst optisch eine Markierung 5 auf der Kolbenstange 3. Über ein Kabel 7 werden die erfassten Werte, beispielsweise in Form von einer binären Sequenz an eine Auswertung weitergeleitet.
• 2 zeigt die Kolbenstange 3 mit ihrer Markierung im Ausschnitt, wobei 3 einen vergrößerten Blick auf die Markierung 5 erlaubt. Die vergrößerte Darstellung der 3 zeigt eine Reihe von Codeelementen, die aus einzelnen, auf die Kolbenstange aufgebrachten Linien oder Strichen besteht. Jeder der aufgebrachten Striche verfügt über eine andere Reflexionseigenschaft für einfallendes Licht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in den dunkel dargestellten Streifen der Markierung kein Licht reflektiert wird, während in den dazwischen liegenden Bereichen das Licht reflektiert wird. Dies kann auch anders herum der Fall sein. Wichtig für die Auswertung der Markierung 5 ist, dass der optische Sensor in Position X ein anderes Signal liest als in Position Y.
• Die erfindungsgemäß vorgesehen Codierung besitzt eine logische Struktur, die das Auslesen der Signale erleichtert. Auf der logisch unteren Ebene befinden sich Codeelemente, die aus den in 3 dargestellten Strichen auf der Kolbenstange dargestellt sind, beispielsweise durch das Fehlen auf der Strichlinie. Je nach gewählter Codierung können mehrere Codeelemente zusammengefasst ein Codezeichen darstellen. Hier kann es sich beispielsweise um eine binäre „0“ oder eine binäre „1“ handeln. Ferner kann aus mehreren Codeelementen ein Trennzeichen definiert werden, das die Codezeichen eines Codewortes von den Codezeichen eines anderen Codewortes trennt. Ein Paar von Codewörtern kann zu einem Codewörterpaar zusammengefasst werden, wenn die addierte Länge der beiden Codewörter einen konstant vorbestimmten Wert ergibt.
• 4 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel, das mit vier Codeelementen arbeitet. Wie dargestellt, besteht das Codezeichen „0“ aus der Folge „schwarz-weiß-schwarz-weiß-schwarz“. Diese Codeelemente „schwarz“ und „weiß“' besitzen die gleiche Breite. Hieran schließt sich ein Codeelemente „weiß“ an, das eine geringere Breite besitzt und ein Codeelemente „schwarz“', das eine größere Breite besitzt. Eine mögliche Darstellung für das Codezeichen „0“ stellt also auf vier unterschiedlich breite Codeelemente ab. Alternativ wäre es möglich, auf zwei elementare Codeelemente abzustellen, die jeweils die Breite D/2 besitzen. In dieser Darstellung würde das Codezeichen „0“ die Darstellung besitzen „E-schwarz, E-schwarz , E-weiß, E-weiß, E-schwarz, E-schwarz, E-weiß, E-weiß, E-schwarz, E-schwarz, E-weiß, E-schwarz, E-schwarz und E-schwarz“, wobei E-weiß und E-schwarz für ein Codeelemente halber Breite steht. Für den praktischen Gebrauch mag es übersichtlicher sein, hier vier Codeelemente zu unterscheiden, von denen ein weißes schmaler und ein schwarzes breiter ausgeführt ist. Das Codezeichen „1“ unterscheidet sich von dem Codezeichen „0“ dadurch, dass noch einmal ein schwarz- und weiß-Übergang eingeführt ist. Das Trennzeichen ist durch einen weiteren schwarz-weiß-Übergang dargestellt.
• In der in 4 dargestellten Codierung liegt nun eine 2-Bit-Codierung vor. Hier wird codiert
  T00T11T01T10T.
• Die Codewörter „00“ und „11“ sind hierbei durch ein Trennzeichen „T“ voneinander getrennt. Die Codewörter „00“ und „11“ bilden ein Codewortpaar mit einer vorgegebenen Gesamtlänge. Ebenso ergibt das Codewort „01“ und „10“ ein Codewortpaar mit der gleichen Gesamtlänge.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zunächst eine Markierung 5 betrachtet, die keine Codewörterpaare kennt. Nimmt man beispielsweise eine Codierung an, bei der ein Codewort aus drei Bit Länge besteht, so kann folgende Markierung auf der Kolbenstange aufgebracht sein:
  000T001T010T011T100T101T110T111,
  wobei das Trennzeichen zwischen zwei Codewörtern hier durch „T“ dargestellt ist. Liest bei dieser Markierung der optische Sensor beispielsweise die Markierung 100T, so war es bekannt, dass der Sensor sich gerade zwischen der fünften und sechsten Markierung befindet, so dass eine Auswertung die Position der Kolbenstange ergibt. In diesem Beispiel scheinen sämtliche Codewörter die gleiche Länge zu besitzen, da sie stets 3 Bit besitzen. Jedoch ist es aus praktischen Überlegungen durchaus denkbar, dass das Codezeichen „0“ beispielsweise als Strich-Lücke-Strich-Strich codiert ist, während das Codezeichen „1“ eine Darstellung in Codeelementen mit einer anderen Länge besitzt. Geht man von einer solchen Situation aus, so besitzen die Codezeichen „0“ und „1“ nicht die gleiche Länge, ebenso wenig wie das Codewort „100“ und „011“ die gleiche Länge besitzen.
• Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, in der Markierung 5 mehrere Codewörterpaare vorzusehen, die die gleiche Länge besitzen. Ein Beispiel ist beispielsweise:
  000T111T001T110T010T101T011T100.
• Betrachtet man die vorstehende Markierung 5, so stellt man fest, dass die aufeinanderfolgenden Codewörter „000T“ und „111T“ die gleiche Länge besitzen wie die folgenden Paare: $${\text{P}}_1=\left(\left(000\text{T}\right),\left(111\text{T}\right)\right)$$

  

  $${\text{P}}_2=\left(\left(001\text{T}\right),\left(110\text{T}\right)\right)$$

  

  $${\text{P}}_3=\left(\left(010\text{T}\right),\left(101\text{T}\right)\right)$$

  

  $${\text{P}}_4=\left(\left(011\text{T}\right),\left(100\text{T}\right)\right).$$

  
• Die vier Codewörterpaare P₁ - P₄ besitzen jeweils die gleiche Länge, da sie stets die gleiche Anzahl von Codezeichen „0“ und „1“ aufweisen. Ein weiterer Vorzug der vorstehenden Codewörterpaare liegt darin, dass innerhalb eines Codewörterpaares die Hamming-Distanz zwischen zwei Codewörtern „3“ beträgt, wobei das Trennzeichen „T“ außeracht gelassen wird. Eine weitere Eigenschaft besteht darin, dass das letzte Codewort eines Codewörterpaares und das erste Codewort eines nachfolgenden Codewörterpaares einen Abstand von „2“ besitzen. Je nach der erforderlichen Länge und Genauigkeit der Aufteilung der Kolbenstange kann eine unterschiedlich große Anzahl von Codezeichen für die Darstellung eines Codewortes gewählt werden.
• Da die Markierung 5 bei der Verwendung der Codewörterpaare nicht sequenziell erfolgt, ist zur Auswertung der Position der Kolbenstange eine Tabelle vorgesehen, die einem einzelnen Codewort eine Position zuordnet.
• Bezugszeichenliste

1

Zylinder

2

Zylinderhülse

3

Kolbenstange

4

Zylinderkopf

5

Markierung

6

Abdeckung

7

Kabel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 9501510 [0004, 0015]
• EP 1426737 B1 [0005]

Claims (6)

1. Zylinder (1) mit einer Kolbenstange (3) und einem optischen Positionsmesser, der auf eine an der Kolbenstange (3) angeordnete Markierung (5) gerichtet ist, die mindestens zwei von dem Positionssensor unterscheidbare Codeelemente aufweist, aus denen zwei jeweils aus mehreren Codeelementen bestehende Codezeichen (0, 1) und ein Trennzeichen (T) gebildet werden, wobei mehrere Codezeichen (0, 1) ein Codewort bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (5) eine Vielzahl von Codewörterpaaren aufweist, die paarweise eine vorbestimmte Gesamtlänge aufweisen.
2. Zylinder (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Codewörter in einem Codewörterpaar zusammen zwei Trennzeichen aufweisen.
3. Zylinder (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Codewort eine vorbestimmte Anzahl von Codezeichen besitzt.
4. Zylinder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei durch ein Trennzeichen voneinander getrennte Codewörter, die jeweils n Codezeichen aufweisen, sich um n oder (n-1) Codezeichen voneinander unterscheiden.
5. Zylinder (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Codewörter eines Codewörterpaares sich in allen ihren Codezeichen voneinander unterscheiden.
6. Zylinder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Codezeichen unterschiedliche Längen aufweisen.

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