DE19518664C1

DE19518664C1 - Verfahren zur Bestimmung der Position zweier zueinander bewegbarer Körper

Info

Publication number: DE19518664C1
Application number: DE1995118664
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Rathjen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-20
Filing date: 1995-05-20
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2015-05-21
Also published as: DE19518664C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position zweier zueinander be wegbarer Körper mittels eines Codemeßsystems, wobei auf einem Körper ein von Code elementen gebildeter Code aufgebracht und auf dem anderen Körper ein Aufnehmer mit De tektoren zum Lesen des Codes angeordnet ist.

Durch die DE 30 28 055 ist bereits ein Verfahren bekannt geworden, bei dem nur eine Spur zur Codierung der absoluten Position verwendet wird. Hier muß jedoch der Aufnehmer mit den Detektoren zur Bestimmung einer Position zu Beginn jeder Messung stets ein vollstän diges Codewort abfahren. Es sind aneinandergrenzenden Bereichen Codewörter zugeordnet, die die Ermittlung einer absoluten Position ermöglichen. Hierbei begrenzt die Größe der Codeelemente der Codewörter die erreichbare Auflösung.

Aus der Firmenschrift "Raummaßstab der ABSOLUTE in der Koordinatentechnik" der E.M.S. Technik GmbH, Sägemühlenstraße 89, 2950 Leer, ist es auch bereits bekannt geworden, einen Codeträger abschnittsweise zu codieren und sodann mittels einer Vielzahl von ein zelnen Detektorelementen eine Abtastung des Codes vorzunehmen. Auch hier enthalten an einandergrenzende Bereiche jeweils lediglich ein Codewort, das abgetastet wird. Hier wird jedoch bereits ein Codewort in einer Abtastposition vollständig erfaßt. Durch eine Vielzahl von Detektoren wird eine hohe Auflösung innerhalb des Abtastbereiches erzielt. Nachteilig ist es hier, daß mehrere hundert Detektoren erforderlich sind, um eine hohe Ortsauflösung zu erzielen. Das bedeutet zudem, daß zur Erzielung einer für technische Anwendungen guten Auflösung Markierungen in einer Feinheit aufgebracht werden müssen, wie sie insbesondere bei magnetischen Verfahren nicht realisierbar sind. Das hier beschriebene Verfahren ist folglich vorrangig auf opto-elektronische Verfahren beschränkt und läßt sich nur dort sinnvoll einsetzen. Auch für die Ausbildung der Detektoren gilt, daß diese, wie die Codeelemente, äußerst feine Abmessungen aufweisen müssen.

Bekannt geworden sind auch bereits Verfahren, die Pseudo-Random-Codes verwenden. Die Codewörter sind hier nicht abschnittsweise angeordnet, sondern ineinander verschachtelt. Somit ist es möglich, in Abständen von der Lange eines Codeelementes, absolute Positions werte zu ermitteln, was beispielsweise in der DE 40 22 503 offenbart ist.

Durch die EP 0 116 636 ist es auch bereits bekannt geworden, eine weitere Erhöhung der Auflösung durch die Bestimmung des Übergangs von einem Codeelement zum nächsten zu erzielen. Hierfür ist jedoch eine starke Überabtastung erforderlich. Auch hier ist also stets eine hohe Anzahl von Detektorelementen pro Codeelement im Aufnehmer anzuordnen. Um auch bei Einsatz eines ein Magnetfeld detektierenden Verfahrens die angestrebte hohe Ortsauflösung zu erzielen, sind spezielle scannende Detektoren vorgeschlagen worden. Insgesamt sind dem Verfahren, wenn es auf magnetischer Basis realisiert werden soll, Grenzen hinsichtlich des Auflösungsvermögens gesetzt.

Durch die EP 0 503 716 A1 ist es im übrigen bereits bekannt geworden, einen Pseudo- Random-Code aufzubringen und diesen zusätzlich zur absoluten Positionsbestimmung wie einen inkrementellen Maßstab auszuwerten. Hierzu ist es jedoch Voraussetzung, daß sich der Pseudo-Random-Code bei der Mittelung der Abtastwerte so verhält, wie ein inkrementeller Maßstab mit Defekten. Voraussetzung für eine korrekte Auswertung ist, daß ein Code ge schrieben wird, der einen konstanten Mittelwert der Abtastwerte aufweist. Nur dann sind Abweichungen vermeidbar. Zur Realisierung des Prinzips des Mittelns der Einzelsignale ist es jedoch auch hier erforderlich, sehr viele Detektorelemente einzusetzen.

In der WO 91/10288 A2 ist ein absoluter Positionssensor beschrieben, der jedoch keine Pseudo-Random-Codes, sondern nur eine geringe Anzahl von Pseudo-Random-Sequenzen auswertet. Der Informationsgehalt der aufeinanderfolgenden Codeworte wird durch die unterschiedlichen Abstände der sich immer wiederholenden Sequenzen gebildet. Die Verwendung weniger Sequenzen reduziert im Vergleich zu Pseudo-Random-Codes die Codelänge erheblich und macht somit bei gegebener Codelänge eine stark erhöhte Anzahl von Detektoren erforderlich.

Ein in der DE 92 18 267 U1 beschriebenes Winkelmeßsystem verwendet zur Bestimmung der Position eine Phasenauswertung. Zur Bestimmung der Position können bei sinusförmigen Signalen Methoden zur Phasenmessung eingesetzt werden. Hier ist eine eindeutige Positions bestimmung mittels eines einzigen Signals jedoch nur innerhalb einer Periode möglich, so daß in der Regel mehrere Signale unterschiedlicher Periode auf mehreren Spuren verwendet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bereits unter Einsatz sehr weniger Detektoren und unter Verwendung eines in einer einzigen Spur befindlichen Codes neben einer absoluten Positionsbestimmung eine hohe Feinauflösung zu erreichen, wobei die Codeelemente im Vergleich zu optischen Systemen relativ große Abmessungen aufweisen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Indem die Codeelemente auf einer Spur derart aufgebracht sind, daß die vom Aufnehmer erfaßten Codeelemente stets unterschiedliche Codewörter zur Bestimmung einer absoluten Position ergeben und die Codeelemente zusätzlich sich in bestimmten Abständen wiederholende Sequenzen bilden, wird erreicht, daß mit ausgesprochen wenigen Detektoreinheiten bzw. mit in diesen Detektoreinheiten angeordneten Detektoren sowohl eine Bestimmung der Absolutposition, als auch der Feinposition erfolgen kann. Dabei werden von dem die Detektoreinheiten tragenden Aufnehmer stets eine vollständige Sequenz bzw. übergreifend sich ergänzende Bereiche aufeinanderfolgender Sequenzen mit kontinuierlichem bzw. fein gestuftem Informationsverlauf zur Bestimmung der Feinposition erfaßt. Der Aufnehmer besteht aus Detektoreinheiten, die jeweils wenigstens zwei Detektoren aufweisen, die in ei nem Abstand zueinander angeordnet sind, der kleiner ist als die Länge eines Codeelementes. Es ist hier bereits mit einem sehr geringen Aufwand eine hohe Feinauflösung erzielbar.

Sofern mindestens so viele Detektoreinheiten angeordnet sind, wie im Codewort maximal Codeelemente mit gleichem Informationsinhalt aufeinanderfolgen, ist es möglich, in jeder Abtastposition eine Verfahrbewegung zu registrieren. Sofern im Code die Anzahl der auf einanderfolgenden Codeelemente mit gleichem Informationsinhalt gering gehalten wird, sind zudem unter Verwendung nur weniger Detektoreinheiten hohe Codelängen realisierbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Aufnehmer mit einer gleichen Anzahl von Detektoreinheiten versehen, wie jeweils ein Codewort und eine Sequenz bildende Codeelemente vorhanden sind, derart, daß eine Bestimmung der Position auch bei Stillstand der zueinander bewegbaren Körper erfolgen kann.

Einfachere Ausführungsformen ergeben sich, sofern der Aufnehmer mit weniger Detek toreinheiten versehen ist, als ein Codewort Codeelemente enthält. Zur Auswertung der Po sition ist dann jedoch eine Relativbewegung über dem Bereich der von den Detektoreinheiten in einer Abtastposition nicht erfaßten Codeelemente eines Codewortes erforderlich. In wei terer Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, daß die Abtastung der Codeelemente abschnittsweise einen sinusförmigen und/oder linearen Signalverlauf ergibt. Bei einer derartigen Gestaltung des Codes gestaltet sich die Bestimmung der Feinposition be sonders einfach.

Die Auswertung der Feinposition erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Verfahren zur digitalen Phasendemodulation. Es besteht dann die Möglichkeit, Abweichungen von der idealen Sig nalform zu kompensieren, wodurch sich systematische Fehler reduzieren lassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch dann vorteilhaft, sofern die Code elemente in Form von magnetischen Markierungen aufgebracht sind. Bei derartigen magne tischen Markierungen bereitet es in der Praxis Schwierigkeiten, ideal rechteckförmige Signalverläufe auf den Codeträger aufzubringen. Bei dem vorliegenden Verfahren sind der artige Verläufe jedoch überhaupt nicht erforderlich. Eine sehr gute Auflösung ist auch be reits dann erzielbar, wenn die Markierungen relativ groß, aber dafür sinusförmig gestaltet sind. Eben derartige Markierungen lassen sich z. B. mit magnetisierenden Verfahren gut aufbringen.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, daß die die Sequenzen bildenden Codeelemente gleichzeitig Teil eines Codewortes sind. Hierdurch reduziert sich bei gegebener Codelänge die Anzahl der erforderlichen Detektoreinheiten.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß alle Sequenzen aus einer gleichen Folge von Code elementen bestehen können. Eine derartige Gestaltung erleichtert die Identifikation der Se quenz, d. h. eine derartige Gestaltung reduziert insbesondere auch den Rechenaufwand bzw. den schaltungstechnischen Aufwand.

Erfindungsgemäß ist es alternativ auch möglich, die Sequenzen aus mehreren unterschied lichen Folgen von Codeelementen zu bilden. Hierdurch wird eine größere Freiheit hinsicht lich der Gestaltung des Codes erreicht. Der Code kann darüberhinaus insgesamt länger werden, als wenn nur eine Folge verwendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1, einen Ausschnitt aus einem Code, mit einem Aufnehmer in schematischer Darstel lung;

Fig. 2, den Signalverlauf des Codes gemäß Fig. 1, in schematischer Darstellung;

Fig. 3, einen alternativen Signalverlauf des Codes gemäß Fig. 1;

Fig. 4, den Signalverlauf in einer Sequenz, in vergrößerter Darstellung.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Code bezeichnet, der von Codeelementen 2 gebildet ist. Der Code 1 weist Codewörter 3 auf, die jeweils von einer gleichen Anzahl von Codeelementen 2 gebildet sind. Außerdem weist der Code 1 Sequenzen 4 auf, die jeweils aus einer gleichen Folge von vier Codeelementen 2 bestehen. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel, gemäß der Fig. 1, bestehen alle Codewörter 3 aus zwölf Codeelementen 2. Der Code 1 ist im übrigen auf einem Körper 5 aufgebracht.

Auf einem relativ zu dem Körper 5 bewegbaren Köper 6 ist ein Aufnehmer 7 fest angeordnet. Der Aufnehmer 7 weist zwölf Detektoreinheiten 8 auf, wobei die Anzahl der Detektorein heiten 8 gleich der Anzahl der Codeelemente 2 jedes Codewortes 3 ist. Die Detektoreinheiten 8 stellen eine logische Gruppierung der Detektoren 9 dar und müssen daher nicht als ein zelne Bauteile ausgeführt werden. Die Detektoreinheiten 8 weisen hier jeweils zwei Detektoren 9 auf. Die Detektoren 9 sind in einem Abstand zueinander angeordnet, der einer halben Länge eines Codeelementes 2 entspricht. Die Detektoreinheiten 8 müssen im übrigen nicht unbedingt in dem Aufnehmer 7 lückenlos hintereinander angeordnet sein. So können beispielsweise zwischen den Detektoreinheiten 8 durchaus auch größere Freiräume offen gelassen werden.

In der Fig. 2 der Zeichnung ist ein Signalverlauf 10 des in der Fig. 1 abgebildeten Codes 1 dargestellt. Der Signalverlauf 10 weist sinusförmige Abschnitte 11 und konstante Abschnitte 12 auf.

In der Fig. 3 ist ein alternativer Signalverlauf 10 dargestellt, der ausschließlich im Be reich der Sequenzen 4 sinusförmige Abschnitte 11′ aufweist. Die restlichen Bereiche 13 des Codes 1 weisen einen rechteckförmigen Verlauf auf. Ein solcher Verlauf ließe sich z. B. mit einem auf dem Körper 5 angeordneten Codeträger realisieren, der im Bereich des rechteckförmigen Verlaufs Öffnungen konstanter Höhe und im Bereich des sinusförmigen Verlaufs Öffnungen mit seitlich zum Codeträger veränderlicher Höhe besitzt. Die veränder liche Höhe dient hierbei der Modulation einer physikalischen Größe, beispielsweise eines magnetischen Flusses oder der empfangenen Intensität einer Lichtquelle.

Generell ist festzuhalten, daß die sinusförmigen Abschnitte 11 bzw. 11′ gegebenenfalls auch dreieckförmig bzw. auch gestuft ausgebildet sein können. Desgleichen können selbstver ständlich z. B. die Sequenzen 4 aus anderen Folgen von Codeelementen 2 zusammengesetzt sein. Der Informationsverlauf der Codeelemente 2 ist in den Fig. 2 und 3 der Zeichnung, in dünnen Linien dargestellt, den Kurvenverläufen unterlegt.

In der Fig. 1 ist der Aufnehmer 7 des Körpers 6 in einer Position dargestellt, in der nur die ungeradzahligen Detektoren 9 zur Ermittlung eines absoluten Positionswertes herange zogen werden. Diese Detektoren 9 sind jeweils auf der Mitte der im Bereich des Aufnehmers 7 liegenden Codeelemente 2 angeordnet. Der jeweils zweite Detektor 9 jeder Detektoreinheit 8 liegt jeweils genau auf einer Grenze 14 zwischen zwei benachbarten Codeelementen 2. Die von diesen Detektoren 9 ermittelten Werte können nicht zur Ermittlung der absoluten Position herangezogen werden. In einer in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteeinheit erfolgt die Auswertung der von den Detektoren 9 erfaßten Signalwerte des Signalverlaufs 10. Die Auswerteeinheit selektiert aufgrund vorgegebener Schwellwerte aus den eingegangenen Signalwerten die Detektoren 9, die zur Ermittlung der absoluten Position herangezogen werden können. Die betreffenden Werte werden dann normiert und auf- bzw. abgerundet, wodurch sich die binäre Darstellung des Codewortes ergibt. Das jeweilige Codewort 3, das die absolute Position vorgibt, ist somit ermittelt und kann von der Auswerteeinheit nach an sich bekannten Verfahren einem absoluten Positionswert zugeordnet werden. Gleichzeitig ist die Lage der Sequenzen 4 des Codes 1 bekannt, so daß die Abtastwerte der im Bereich der Sequenzen liegenden Detektoreinheiten 8 gezielt zur Auswertung der Feinposition ausgewählt werden können.

Die Abtastwerte der Detektoren 9 der angesprochenen Detektoreinheiten 8 werden jetzt mit einem geeigneten Verfahren zur Auswertung der Feinposition weiter verarbeitet. Wie aus der Fig. 4 der Zeichnung, in der beispielhaft ein sinusförmiger Signalverlauf im Bereich einer Sequenz vergrößert dargestellt ist, ersichtlich ist, werden die Abtastwerte U1 bis U6 von sechs nebeneinanderliegenden Detektoren 9 des Aufnehmers 7 gleichzeitig ausgewertet. In den nachfolgenden Gleichungen ist beispielhaft beschrieben, in welcher Form aus den Abtastwerten U1 bis U6 die Feinposition ϕ bestimmt werden kann. Es handelt sich hierbei um eine Phasenmessung, wobei es bezüglich der Anzahl sowie der Auswahl der Abtastwerte vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten gibt.

Beispiel zur Phasenmessung:

Die Auflösung der absoluten Position ist gleich der Länge eines Codeelementes 2. Nachdem diese Position bereits ermittelt wurde, gibt der Wert ϕ nunmehr die Feinposition innerhalb eines Codeelementes an. Bei idealem Signalverlauf sind dabei die Auflösung und Genauigkeit prinzipiell nicht begrenzt. Das angewendete Verfahren zeichnet sich im Verhältnis zu den eingesetzten Mitteln durch eine sehr hohe Auflösung aus. Der Vorteil der vorstehend be schriebenen Auswerteverfahren liegt auch darin, daß diese, sofern mehr als zwei Abtastwerte verwendet werden, unabhängig von der Signalamplitude und dem Signal-Off-Set arbeiten. Es ist auch möglich, die Auswertung der Feinposition mit Hilfe von anderen Verfahren zur digitalen Phasendemodulation durchzuführen, die die Abweichungen von der idealen sinusförmigen Signalform und des idealen Codeelementabstandes kompensieren können. Damit ist es u. a. auch möglich, zyklische Codierungen auf einem geschlossenen Codeträger, wie beispielsweise Transportbändern, zu erzeugen, der eine Länge hat, die nicht einem ganzzahligen Vielfachen des Detektorelementabstandes entspricht.

Es ist alternativ auch möglich, so zu verfahren, daß zuerst die Lage der Sequenz 4 innerhalb des Codewortes 3 identifiziert wird. Dies kann mit Hilfe von signalverarbeitenden Methoden zur Mustererkennung erfolgen. Hierbei kann es sich z. B. um bekannte Korrelationsmethoden handeln. Es folgt dann in der bereits beschriebenen Art und Weise die Auswertung der Feinposition. Mit Hilfe der Feinposition kann nunmehr entschieden werden, welche Detek toren 9 aufgrund ihrer Position geeignet sind, zur Bestimmung der absoluten Position die besten Abtastwerte zu liefern. Es handelt sich hier entweder um die geradzahligen oder um die ungeradzahligen Detektoren, d. h. von jeder Detektoreinheit 8 wird jeweils ein Detektor 9 ausgewählt. Es schließt sich dann die Bestimmung des Codewortes an.

Bezugszeichenliste

1 Code
2 Codeelemente
3 Codewort
4 Sequenz
5 Körper
6 Körper
7 Aufnehmer
8 Detektoreinheit
9 Detektoren
10 Signalverlauf
11/11′ sinusförmige Abschnitte
12 konstante Abschnitte
13 Bereiche (rechteckförmig)
14 Grenze

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Position zweier zueinander bewegbarer Körper (5, 6) mittels eines Codemeßsystems, wobei auf einem Körper (5) ein von Codeelementen (2) gebildeter Code (1) aufgebracht und auf dem anderen Körper (6) ein Aufnehmer (7) mit Detektoren (9) zum Lesen des Codes (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Codeelemente (2) auf einer Spur derart aufgebracht sind, daß die vom Aufnehmer (7) erfaßten Codeelemente (2) stets unterschiedliche Codewörter (3) zur Bestimmung einer absoluten Position ergeben,
b) die Codeelemente (2) zusätzlich sich in bestimmten Abständen wiederholende Sequenzen (4) bilden,
c) vom Aufnehmer (7) stets eine vollständige Sequenz (4) bzw. übergreifend sich ergän zende Bereiche aufeinanderfolgender Sequenzen (4) mit kontinuierlichem bzw. feingestuf tem Informationsverlauf zur Bestimmung der Feinposition erfaßt werden,
d) der Aufnehmer (7) aus Detektoreinheiten (8) besteht, die jeweils wenigstens zwei De tektoren (9) aufweisen, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der kleiner ist als die Länge eines Codeelementes (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens so viele Detektoreinheiten (8) angeordnet sind, wie im Codewort (3) maximal Codeelemente (2) mit gleichem Informationsinhalt aufeinanderfolgen, derart, daß in jeder Abtastposition eine Verfahrbewegung registriert werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleiche Anzahl an Detektoreinheiten (8) vorgesehen ist, wie jeweils ein Codewort (3) und eine Sequenz (4) bildende Codeelemente (2) vorhanden sind, derart, daß eine Bestimmung der Position auch bei Stillstand der Körper (5, 6) erfolgen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, sofern weniger Detektoreinheiten (8) vorgesehen sind, als ein Codewort (3) Codeelemente (2) enthält, zur Auswertung der Position eine Relativbewegung über den Bereich der von den Detek toreinheiten (8) in einer Abtastposition nicht erfaßten Codeelemente (2) eines Codewortes (3) erforderlich ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und wenigstens einem der weiteren Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abtastung der Codeelemente (2) abschnittsweise einen sinusförmigen und/oder linearen Signalverlauf (10) aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Feinposition mit Hilfe von Verfahren zur digitalen Phasendemodulation erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeelemente (2) in Form von magnetischen Markierungen aufge bracht sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sequenzen (4) bildenden Codeelemente (2) gleichzeitig Teil eines Codewortes (3) sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sequenzen (4) aus einer gleichen Folge von Codeelementen (2) bestehen.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Sequenzen (4) aus mehreren unterschiedlichen Folgen von Codeelementen (2) gebildet sind.