DE19513829C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur PositionsbestimmungInfo
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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.
Priority Applications (1)
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DE1995113829 DE19513829C2 (de) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung |
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ID=7759523
Family Applications (1)
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DE1995113829 Revoked DE19513829C2 (de) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MICRONAS INTERMETALL GMBH, 79108 FREIBURG, DE |
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8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |