DE19513829C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung. Es soll die absolute Position bei linearen Bewegungen oder bei Drehbewegungen bestimmt werden. Derartige Positionsbestimmungen finden ihre Anwendung beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, wie Drehbänken, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen etc., bei denen die relative Lage des Werkzeuges zu dem Werkstück genau bekannt sein muß.

Es ist aus der Praxis bekannt, für solche Positionsbestimmungen auf dem zu messenden Objekt zahlreiche parallele Spuren anzubringen, auf denen ein geeigneter Code, etwa der Gray-Code aufgebracht ist. Diese Spuren werden mit geeigneten Sensoren, optische, magnetische Sensoren etc. abgetastet. Durch eine geeignete Auswertung der Meßergebnisse wird die Position bestimmt. Der Nachteil einer solchen Vorrichtung und eines solchen Verfahrens liegt darin, daß für eine hohe Auflösung viele Sensoren und Code-Spuren notwendig sind, was zu einem hohen Aufwand führt.

Aus der WO 84/01027 ist eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung bekannt, bei der eine Maximalfolge von mit Codeelementen dargestellten Binärzahlen mit bekannter Position auf einem Gegenstand angebracht ist. Die Binärzahlen können mit einer relativ zu dem Gegenstand bewegbaren Detektoranordnung gemessen werden. Jedem Codeelement sind mehrere Detektorelemente zur Bestimmung einer Feinstruktur zugeordnet. Die Ausgangssignale der Detektorelemente werden in ein Schieberegister gegeben und mittels eines Komparators mit einer Folge von Referenzbinärzahlen, die der Maximalfolge entspricht, über ein weiteres Schieberegister verglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher eine Positionsbestimmung mit Feinauflösung einfacher möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit einer Anordnung von aufeinanderfolgenden Feldern, die jeweils eine Binärzahl enthalten, deren Position bekannt ist, wobei die Binärzahlen eine eindeutige Zahlenfolge bilden, mit einem relativ zu den Feldern bewegbaren Sensor zum aufeinanderfolgenden Messen je einer Binärzahl und mit einer Auswerteeinrichtung gelöst, die einen Generator zum Erzeugen von Referenzbinärzahlen, deren Reihenfolge der Zahlenfolge entspricht, eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich einer bestimmten Anzahl gemessener, aufeinanderfolgender Binärzahlen mit den entsprechend aufeinanderfolgenden Referenzbinärzahlen zur Positionsbestimmung enthält, wobei der Sensor mehrere Sensorelemente umfaßt, und die Ausgänge je zweier nebeneinanderliegender Sensorelemente auf Differenzverstärker geführt sind, um Zwischenzustände in den Feldern zu bestimmen.

Gemäß der Erfindung wird eine eindeutige Zahlenfolge in aufeinanderfolgenden Feldern angeordnet, so daß nur eine Spur zum Unterbringen des Codes verwendet wird. Zum Messen des Codes ist nur ein Sensor erforderlich. Der Sensor umfaßt Sensorelemente, so daß die Meßgenauigkeit erhöht wird. Dadurch, daß die Ausgänge je zweier nebeneinander liegender Sensoren auf Differenzverstärker geführt sind, entsteht je eine bestimmte Kombination von aufeinanderfolgenden Differenzsignalen, die einer logischen Eins oder Null entspricht. Weitere Kombinationen ergeben Zwischenzustände. Es wird auf einfache Weise eine zuverlässige Positionsbestimmung mit Zwischenzuständen möglich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Günstigerweise ist ein Ausgang der Vergleichseinrichtung mit dem Generator so verbunden, daß bei Nichtübereinstimmung einer Binärzahl mit der Referenzbinärzahl die Binärzahl in den Generator geladen werden kann. Auf diese Weise ist eine Korrektur eines Fehlers möglich. Eine solche Korrektur ist dann sinnvoll, wenn sichergestellt ist, daß der Generator die Referenzbinärzahlen synchron zu den aktuell gemessenen Binärzahlen erzeugt. Es können auch mehrere derartige Fehlerkorrekturen hintereinander durchgeführt werden. Die Synchronisation muß dabei jedoch aufgrund des Vergleichs von vorangegangenen und folgenden Meßwerten überprüft und sichergestellt werden.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der Generator ein Schieberegister mit Stufen. Der Generator kann so ausgebildet sein, daß die Rererenzbinärzahlen als eine Maximalfolge erzeugt werden. Dies hat den Vorteil, daß für eine bestimmte Anzahl N hintereinander gemessener Binärzahlen, die zur Auswertung gleichzeitig berücksichtigt werden, die maximale Zahl von Kombinationen, nämlich 2**N-1, durchlaufen und somit für die Auswertung ausgenutzt wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Ausgänge zweier Stufen des Schieberegisters mit Eingängen der Vergleichseinrichtung verbunden sein, deren Ausgang auf einen Eingang des Schieberegisters geführt ist. Die Vergleichseinrichtung kann einen Exklusiv-Oder-Glied umfassen. Mit einem derartigen N-stufigen Maximalfolgeregister, läßt sich eine links- oder rechtslaufende Maximalfolge erzeugen. Die Ausgänge des N-stufigen Schieberegisters sind an das Exklusiv-Oder-Glied gelegt, dessen Ausgangssignal auf den rechten bzw. linken Eingang des Schieberegisters geführt wird, je nach dem ob das Schieberegister rechts- oder linkslaufend betrieben werden soll. Es kann dabei auch ein Exklusiv-Oder Netzwerk verwendet werden, das zwei Ausgangssignale erzeugt, welche sowohl auf den Eingang für Rechtsschieben als auch auf den Eingang für Linksschieben gelegt werden. Dadurch kann die Positionsbestimmung auf einfache Weise in zwei Richtungen erfolgen. Ferner kann jede Stufe des Schieberegisters einen Ladeeingang zum Laden einer Binärzahl aufweisen, wobei die Ladeeingänge parallelgeschaltet sind. So kann das Schieberegister in einen bestimmten Zustand geladen werden, was zur Synchronisation mit den Binärzahlen mit den Feldern verwendet werden kann.

Die Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn als Sensoren Hallsensoren verwendet werden. Die Anordnung der Felder kann als eine Zahnstange mit breiten und schmalen Zähnen auf einem magnetischen Material ausgebildet sein und der/die Sensoren können auf einem Permanentmagnet angeordnet sein. So wird insbesondere mit Hallsensoren eine große Meßgenauigkeit erzielt. Die durch die breiten Zähne verursachten Signale können als eine logische Eins, die der schmalen Zähne als eine logischen Null interpretiert werden.

Die Auswerteeinrichtung kann in einer integrierten Schaltung aufgeführt sein. Bei großen Zahnabständen ist es dabei günstig einzelne Hallsensoren zu verwenden. Bei kleineren Zahnabständen ist es vorteilhaft, wenn auch die Hallsensoren in die integrierte Schaltung mitintegriert sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung;

Fig. 2 ein Schieberegister mit vier Stufen für eine Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionsbestimmung mit einer Zahnstange und vier Sensoren;

Fig. 3b eine Tabelle der mit der Vorrichtung der Fig. 3a gemessenen Werte und

Fig. 4 eine Anordnung des Sensors auf einem Magneten.

Anhand der Figur wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Positionsbestimmung unter Verwendung einer Maximalfolge erklärt. In Fig. 1 ist eine solche Maximalfolge auf einem Streifen 1 aufgetragen. Die auf dem Streifen 1 aufgebrachte Maximalfolge besteht aus Binärzahlen deren Position bekannt ist. Die Maximalfolge stellt eine eindeutige Zahlenfolge dar, die durch Messen N aufeinanderfolgender Binärzahlen bestimmt werden kann. Ein Sensor 2 wird relativ zu dem Streifen 1 bewegt, wobei die sich in aufeinanderfolgenden Feldern 3 befindenden Binärzahlen gemessen werden. Eine Steuereinrichtung 4 steuert die Bewegung und das Messen des Sensors 2. Mit einem Generator 5, der als N-stufiges Schieberegister ausgebildet ist werden Referenzbinärzahlen erzeugt, die der auf dem Streifen 1 angeordneten Maximalfolge entsprechen. Der Sensor 2 liefert ein Datensignal S1 und ein Steuersignal S2. Das Datensignal S1 stellt den momentanen Wert der Maximalfolge dar, welcher von dem Sensor 2 gemessen wurde. Das Steuersignal S2 dient dazu, das Schieberegister 5 um einen Takt weiterzuschieben. In einer Vergleichseinrichtung 6, welche hier aus einem Exklusiv-Oder-Glied besteht, wird das gemessene Datensignal S1 des Sensors 2 mit dem Inhalt einer bestimmten Stufe des Schieberegisters 5, der durch das Datensignal S3 wiedergegeben wird, verglichen. Falls keine Übereinstimmung zwischen den Datensignalen S1 und S3 festgestellt wird, gibt die Vergleichseinrichtung 6 ein Alarmsignal S4 aus. Wenn mehrere Sensoren 2 vorgesehen sind, werden weitere Signale, wie das Datensignal S1 dem Schieberegister 5 und einer zweiten Vergleichseinrichtung 6′ zugeführt und analog wie das Signal S1 weiterverarbeitet.

Fig. 2 zeigt ein Schieberegister mit vier Stufen, mit dem eine Maximalfolge erzeugt wird. In diesem Fall hat die Maximalfolge eine Länge von 2**4 - 1 = 15 Binärzahlen. Die Ausgangssignale je zweier Stufen 7 des Schieberegisters 5 werden auf ein Exklusiv- Oder-Glied 6 geführt, dessen Ausgang jeweils auf einen Eingang des Schieberegisters 5 rückgeführt wird. Abhängig von dem entsprechenden Eingang werden die Daten in dem Schieberegister nach links oder rechts geschoben, so daß das Schieberegister 5 bzw. jede Stufe 7 des Schieberegisters 5 vorwärts oder rückwärts durchlaufen wird. Dabei nimmt das Schieberegister 5 alle fünfzehn möglichen Kombinationen an. Jede Stufe 7 des Schieberegisters 5 hat einen Ladeeingang 8 in den eine Binärzahl geladen werden kann. Ferner wird dem Schieberegister 5 ein Steuersignal S5 der Steuereinrichtung 4 zugeführt. Das Steuersignal S5 umfaßt ein Ladesignal, ein Clock-Signal und ein Signal für Links- bzw. Rechtsschieben. Die Maximalfolge wird dann entsprechend vorwärts oder rückwärts durchlaufen.

Beim Messen gemäß der Fig. 1 muß sichergestellt werden, daß mit dem Schieberegister 5 die Zahlenfolge, die mit dem Sensor 2 gemessen wird, synchron erzeugt wird. Dabei sollte der Datenausgang des jeweiligen Sensors 2 mit dem Inhalt einer bestimmten Registerstufe übereinstimmen. Falls das nicht der Fall ist, ergibt der Ausgang des Exklusiv-Oder-Glied 6 ein Alarmsignal S4. Dieses zeigt an, daß das Register 5 nicht synchron mit dem Maximalfolgemuster ist. Um die Synchronisation zu erzielen wird das entsprechende Datenglied in die entsprechende Registerstufe geladen. Nach entsprechender Umcodierung kann das Maximalfolgeregister 5 zur Positionsbestimmung benutzt werden.

Ein mögliches Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch das Vermessen von Straßen oder des Schienennetzes der Bundesbahn. Nimmt man das Schienennetzt der Deutschen Bundesbahn, so werden die Binärzahlen auf den Schienen angebracht. Der Sensor 2 und das entsprechende Auswertesystem sind auf den Zügen angebracht, deren Position bestimmt werden soll. Wenn an den Schienen eine Maximalfolge mit N = 40 angebracht ist, deren logischen Nullen bzw. logische Einsen in Abständen von je 5 cm zueinander liegen, erhält man bei der Verwendung nur eines Sensors auf dem jeweiligen Zug eine Wegauflösung von 5 cm, eine Positionserkennung nach 2 m und eine Gesamtlänge von 5 cm × 2** 40 = 55 Millionen km. Mit dieser einfachen Anordnung läßt sich somit das weltweite Schienennetz eindeutig codieren.

Die entsprechende Anordnung kann aber auch für kleine Dimensionen, wie bei Werkzeugmaschinen verwendet werden.

Fig. 3a zeigt eine entsprechende Vorrichtung, bei der das Abtasten der Maximalfolge mit Hallsensoren 9 erfolgt. Die zu messenden Binärzahlen der Maximalfolge sind auf einer Zahnstange aufgebracht. Die Zahnstange enthält Zähne unterschiedlicher Breite, wobei ein breiter Zahn mit schmaler Lücke eine logische Eins und ein schmaler Zahn mit einer breiten Lücke eine logische Null darstellen. Gegenüber den Zähnen sind vier Hallsensoren 9 in den dort dargestellten Abständen angeordnet.

Eine Detailansicht eines entsprechenden Hallsensors 9 ist in Fig. 4 dargestellt. Der Hallsensor 9 ist auf dem Pol eines Permanentmagneten 10 angeordnet. Der Magnet 10 wird zusammen mit dem Hallsensor 9 an der Zahnstange 11 vorbeigeführt. Die Zahnstange 11 besteht aus einem magnetischen Material, typischerweise Eisen. Das Magnetfeld des Magneten 10 wird durch die Zähne 12 bzw. die Lücken 13 der Zahnstange 11 moduliert und mit dem jeweiligen Sensor 9 gemessen. Daraus wird die entsprechende Maximalfolge bestimmt. Ein Beispiel für die Auswerteeinrichtung 14 ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt. Die Ausgangssignale A, B, C, D der Hallsensoren 9 werden paarweise auf drei Differenzverstärker 15 geführt. Von diesen werden Differenzsignale B-A, C-B und D-C ermittelt. Werden die Sensoren 9 an der Zahnstange 11 entlanggeführt, so ergeben sich der Reihe nach die in der Tabelle der Fig. 3b gezeigten Werte der Differenzsignale B-A, C-B, D-C.

Dabei entspricht die Kombination der Differenzsignale (+, 0, -) gleich dem Erkennen einer logischen Eins, die Kombination der Differenzsignale (+, -, 0) einer logischen Null. Durch weitere Kombinationen lassen sich die in der letzten Zeile der Tabelle gezeigten Zwischenzustände erkennen. Dadurch wird die Genauigkeit der Positionsbestimmung zusätzlich erhöht. Die entsprechenden Werte werden in der Recheneinrichtung 16, beispielsweise einem Mikrocomputer, bestimmt.

Bei kleinen Abständen der Zähne 12 der Zahnstange 11 können die Hallsensoren 9 und die gesamte Auswerteschaltung auf einer integrierten Schaltung ausgeführt werden. Bei großen Abständen der Zähne 12 ist es vorteilhaft, die Auswerteeinrichtung 14 zu integrieren, aber einzelne Hallsensoren 9 zu verwenden.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung anhand der Fig. 1 erläutert. Mit der Steuereinrichtung 4 wird der Sensor 2 an dem Streifen 1, der eine Maximalfolge von Binärzahlen mit bekannten Positionen in Feldern 3 enthält, vorbeigeführt. Das Schieberegister 5 wird synchron mit dem Sensor 2 gesteuert. Zunächst wird das Schieberegister auf den Wert geladen, der der entsprechenden Zahlenfolge auf dem Streifen 1 entspricht, die momentan mit dem Sensor 2 gemessen wird. Ist diese Synchronisation sichergestellt, so wird mit dem Weiterbewegen des Sensors 2 um einen Schritt d. h. zu dem nächsten Feld 3 bzw. der nächsten Binärzahl das Schieberegister 5 um eine Stufe weitergerückt. Durch Vergleich der gemessenen aktuellen Binärzahlen des Sensors 2 mit den Referenzbinärzahlen des Schieberegisters 5 wird aufgrund des Exklusiv-Oder-Gliedes 6 festgestellt, ob die Zahlen übereinstimmen. Aus diesem Vergleich wird die aktuelle Position des Sensors 2 bestimmt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Positionsbestimmung mit einer Anordnung von aufeinanderfolgenden Feldern (3), die jeweils eine Binärzahl enthalten, deren Position bekannt ist, wobei die Binärzahlen eine eindeutige Zahlenfolge bilden, mit einem relativ zu den Feldern bewegbaren Sensor (2) zum aufeinanderfolgenden Messen je einer Binärzahl und mit einer Auswerteeinrichtung (14), die einen Generator (5) zum Erzeugen von Referenzbinärzahlen, deren Reihenfolge der Zahlenfolge entspricht, eine Vergleichseinrichtung (6, 6′) zum Vergleich einer bestimmten Anzahl gemessener, aufeinanderfolgender Binärzahlen mit den entsprechend aufeinanderfolgenden Referenzbinärzahlen zur Positionsbestimmung enthält, wobei der Sensor (2) mehrere Sensorelemente (9) umfaßt, und die Ausgänge je zweier nebeneinanderliegender Sensorelemente (9) auf Differenzverstärker (15) geführt sind, um Zwischenzustände in den Feldern zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang der Vergleichseinrichtung (6, 6′) mit dem Generator (5) so verbunden ist, daß bei Nichtübereinstimmung einer Binärzahl mit der Referenzbinärzahl die Binärzahl in den Generator (5) geladen werden kann.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (5) ein Schieberegister mit Stufen umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Generator (5) erzeugten Referenzbinärzahlen eine Maximalfolge bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge zweier Stufen des Schieberegisters (5) mit Eingängen der Vergleichseinrichtung (6, 6′) verbunden sind, deren Ausgang auf einen Eingang des Schieberegisters (5) geführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (6, 6′) ein Exklusiv-Oder-Glied umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe des Schieberegisters (5) einen Ladeeingang zum Laden einer Binärzahl aufweist, wobei die Ladeeingänge parallel geschaltet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (9) Hallsensoren sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Felder als Zahnstange mit breiten und schmalen Zähnen aus einem magnetischen Material ausgebildet ist, und die Sensorelemente (9) auf einem Permanentmagnet (10) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (15) in einer Integrierten Schaltung ausgeführt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (9) in die Integrierte Schaltung integriert sind.