DE19621015A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung von bewegten Maschinenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionierung von bewegten Maschinenteilen, wobei ein optisches Signal von einem Emitter 20 über ein mit Strichcodemarkierungen 21 versehenes Taktlineal 22 von einem Sensor empfangen wird und der Sensor ein elektrisches Taktsignal entsprechend der Strich­ codemarkierung an einen Zähler weitergibt.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-Pa­ tentschrift 5 508 088 (PWB) bekannt. Das Taktlineal besteht dabei aus einem transparenten Material, auf dem Kodierungen zur Abtastung über optische Sensoren angeordnet sind.

Es ist möglich, daß das transparente Material auf der dem Sender abgewandten Seite mit einer reflektierenden Schicht versehen ist, wobei dann die aus dem Sender emittierten Lichtstrahlen in der optischen Achse reflektiert und vom Empfänger registriert werden, der einen Impuls an einen Regelkreis zur Steuerung der Vorschubbewegung eines bewegten Maschinenteils abgibt.

Die Länge und Frequenz der Impulse wird durch sogenannte "Fen­ steröffnungen" bestimmt, die durch die Kodierung in "lichtdurch­ lässig/lichtundurchlässig" vorgegebene Bereiche auf dem Taktli­ neal entstehen. Dadurch wird der aus einem Sender austretende Lichtstrahl von einen in der optischen Achse des Lichtstrahls liegenden Empfänger in einen Impuls umgewandelt, wobei die Art des Impulses von der Beschaffenheit der Fensteröffnung abhängt.

Üblicherweise werden Taktlineale mit endlicher Länge zur Steue­ rung eines Druckerkopfes, eines Roboterarmes oder eines Werk­ zeugschlittens verwendet. Zunehmend werden aber auch Anwendungs­ fälle bedeutsam, in denen größere Längen für die Bewegung des Werkzeugschlittens benötigt werden. Somit besteht das Problem, Taktlineale mit größerer Fertigungslänge herstellen zu können.

Die Kodierungen für Taktlineale müssen wegen der hohen Genau­ igkeit, die an die Positionsbestimmung von bewegten Maschinent­ eilen gestellt werden, mit aufwendigen Maschinen in einem Stück erzeugt werden. Dabei steigen die Fertigungskosten exponentiell an, denn die Einhaltung von engen Fertigungstoleranzen wird bei zunehmenden Fertigungslängen immer aufwendiger.

Grundsätzlich ist es möglich, mehrere Taktlineale kürzerer Länge zu einem neuen Taktlineal mit entsprechend größerer Arbeitslänge zusammenzusetzen. Die dabei auftretenden Stoßkanten können je­ doch das Lichtsignal verfälschen und zu Ungenauigkeiten in der Positionsbestimmung führen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß ein Versatz an den Stoßstellen in der Kodierung auftritt, der zwangsläufig zu Meßfehlern und damit zu einer falschen Posi­ tionsbestimmung führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiter­ zuentwickeln, daß die Positionsbestimmung auch über größere Längen mit mehreren aneinandergefügten Taktlinealen möglich ist. Die Genauigkeit der Positionserfassung soll dabei innerhalb der Genauigkeit der bei der Verwendung eines einheitlichen Taktline­ almaßstabes einzuhaltenden Genauigkeit liegen.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merk­ male gelöst. Es hat sich gezeigt, daß durch Verwendung von zwei Sensoren und zusätzlichen Comparator-Einheiten die Fehlerquelle bei Überschreitung des Taktlineal-Grenzbereiches minimiert wer­ den kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b Erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem bewegten Sensorschlitten;

Fig. 2 Erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem bewegten Taktlineal;

Fig. 3a, 3b Fehlerermittlung bei einem geraden Taktlineal.

In Fig. 1 ist die Vorrichtung zur Positionserfassung von bewegten Maschinenteilen in Form eines mehrteiligen Taktlineals dargestellt, das über die Befestigungsmittel 18, 19 an einem Druckergehäuse befestigbar ist. Das Taktlineal besteht aus zwei Codeträgern 1a, 1b mit einer Ausgangsposition 2, wobei jeder Codeträger gleichbeabstandete Codemarken 3a, 3b trägt. An der Schnittstelle 1c sind die Taktlineale verbunden.

Auf einem Sensorschlitten 7 sind zwei Sensoren 4, 8 angeordnet. Der Sensorschlitten kann beispielsweise an einem Druckerkopf befestigt sein und wird mit diesem über das Taktlineal geführt. Die Sensoren 4, 8 empfangen optische Signale von einem Sender, der in der Darstellungsebene nach Fig. 1 hinter dem Sensor­ schlitten 7 liegt und daher nicht sichtbar ist.

Bei einer Bewegung des Sensorschlittens 7 in Pfeilrichtung emp­ fangen beide Sensoren 4, 8 Signale entsprechend den vom Schlit­ ten überstrichenen Codemarkierungen. Dabei ist der Sensor 4 über Leitungen 6a, 6b mit einem Zählwerk 5 verbunden, das von der Ausgangsposition 2 aus gesehen die überstrichenen Codemarken 3a erfaßt und abspeichert.

Sobald der Sensor 8 die Schnittstelle 1c erreicht, bemerkt ein hinter dem Sensor 8 an der Leitung 9a liegender Comparator 10 eine Veränderung des Codemarken-Abstandes. Diese Veränderung kann beispielsweise durch einen Vergleich eines Prüfsignals mit dem empfangenen Codesignal erreicht werden. Hierzu ist im Compa­ rator 10 eine Prüfeinrichtung 10′ integriert.

Stellt nun die Prüfeinrichtung 10′ fest, daß ein verändertes Codesignal über Leitung 9a empfangen wurde, wird das Zählwerk 5 von der Leitung 6b getrennt und ein weiteres Zählwerk 11 über Leitung 17 mit dem Sensor 8 verbunden. Dies bedeutet, daß bei Bewegung des Sensorschlittens 7 über die Kontaktstelle der bei­ den Codeträger 1a, 1b hinweg das Signal nicht mehr im Zähler 5, sondern im Zählwerk 11 gespeichert wird.

Gleichzeitig wird beim Übergang von einem zum anderen Taktlineal durch Vergleich des gemessenen Codesignals mit dem Prüfsignal eine Federabweichung erkannt und durch ± max. 0,5 Codemarken-Ab­ stand im neuen Taktlinealabschnitt berücksichtigt. Damit ent­ steht eine kontinuierliche Taktfolge, als ob nur ein Taktlineal ohne Stoßstelle vorliegen würde. Dies sei anhand von Fig. 3a, b näher erläutert.

In Fig. 3a ist die Schnittstelle S so gelegt, daß ein Fehler +f entsteht. Hierbei ist der Codemarken-Abstand b um den Wert +f vergrößert, so daß nach dem Überfahren der Schnittstelle S der Wert für den Codezähler um +f vergrößert werden muß, damit der Anschlußfehler kompensiert wird.

In Fig. 3b ist die Schnittstelle S so gelegt, daß ein Fehler -f entsteht. Demzufolge ist der Codemarken-Abstand b um den Betrag -f zu verkürzen, damit der Anschlußfehler kompensiert wird. Durch die jeweilige Addition bzw. Subtraktion der Fehlergröße f wird beim Übergang von Taktlineal 1 zu Taktlineal 2 der Wert des jeweiligen Zählwerkes entsprechend korrigiert.

Bei Weiterbewegung des Sensorschlittens 7 über die Schnittstelle 1c hinweg, erhält auch der Sensor 4 ein verändertes Codesignal, das nicht mit dem Testsignal in einem ihm zugeordneten Compara­ tor 12 mit Prüfeinrichtung 12′ übereinstimmt. In diesem Moment wird das Zählwerk 11 stillgesetzt und die bisher von ihm auf­ summierten Signale werden über eine Transfereinheit 13 an das nun wieder in Betrieb gesetzte Zählwerk 5 weitergegeben. Somit hat nach dem Überfahren der Schnittstelle 1c das Zählwerk 5 die genaue Position des bewegten Maschinenteiles, beispielsweise eines Druckerkopfes. Die Zählung kann weiter fortgesetzt werden bis ein neues Taktlineal mit neuer Kodierung vom Sensor 8 erfaßt wird.

In gleicher Weise sind auch Bewegungen eines zylindrischen Ma­ schinenteils, wie z. B. einer Welle, eines Hohlzylinders oder eines Antriebsrades, erfaßbar. Dazu können gebogene Taktlineale am Umfang des zylindrischen Teiles befestigt werden und über entsprechend radial angeordneten Sensor-Einheiten zur Positio­ nierung überwacht werden. Bei größerem Umfang des zylindrischen Teiles können auch mehrere Taktlineale hintereinander angeordnet sein, wobei die Schaltung der in Laufrichtung hintereinander angeordneten Sensoren, wie im vorhergehenden Beispiel beschrie­ ben, erfolgt.

Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch dadurch verbessert werden, daß beim Anfahren und Abbremsen des Sensorschlittens 7 ein entsprechend verändertes Prüfsignal für den Anfahr- und Bremsvorgang zur Verfügung gestellt wird. Da­ durch wird vermieden, daß die im Beschleunigungszustand emp­ fangenen Codesignale aufgrund ihrer veränderten Struktur als Indikatoren für einen Wechsel der Codeträger verstanden werden.

Eine Weiterentwicklung von Sensor/Emitter-Einheit besteht darin, daß der Emitter 31 zwischen den Sensoren 32 und 33 auf dem Transportschlitten 34 angeordnet ist. Die Codeträger sind dann mit einer reflektierenden Schicht versehen, so daß die vom Emit­ ter 31 ausgesandten Signale reflektiert werden und im Winkel von den Sensoren 32, 33 empfangen werden.

In Fig. 1b ist die Situation im Querschnitt durch ein Taktline­ al und ein Sensorschlitten dargestellt. Die aus dem Sensor 31 emittierten Lichtstrahlen 31a, 31b werden an der mit Strichmar­ kierungen 35 versehenen Oberfläche des Taktlineals 36 reflek­ tiert und von den Sensoren 32, 33 empfangen. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung von mehreren Sensoren möglich, was in der Draufsicht auf einen Sensorschlitten 34 in Fig. 1a dar­ gestellt ist.

In Fig. 2 ist ein bewegtes Taktlineal 22 mit verschiedenen Strichcodes 21 versehen. Ein vom Emitter 20 emittiertes, opti­ sches Signal wird von einem Sensor 23 empfangen, der ein elek­ trisches Taktsignal entsprechend der Strichcodemarkierung an einen Zähler weitergibt.

Das Taktlineal 22 besteht aus zwei Taktlineal-Abschnitten 22a, 22b, die mit versetzten Strichcodemarkierungen 21a, 21b versehen sind.

Ähnlich wie im vorhergehenden Beispiel besteht die Sensor-Ein­ heit aus zwei Einzelsensoren 23a, 23b, die in Bewegungsrichtung des Taktlineals hintereinander angeordnet sind.

Der in Bewegungsrichtung vorn liegende Sensor 23b schaltet bei Erreichen eines neuen Taktlineal-Abschnittes 21b einen Zähler 25 des ersten Sensors 23a ab und zählt dann die Strichcodemarkie­ rungen 21b des neuen Taktlineal-Abschnittes 22b. Die gezählten Abschnitte werden in einer Transfer-Einheit 27 gespeichert.

Sobald der erste Sensor 23a ebenfalls den neuen Taktlineal-Ab­ schnitt 21b erreicht, wird der Zähler 26 des zweiten Sensors 23b stillgesetzt. Nun beginnt der erste Zähler 25 weiterzuzählen, wobei die vom zweiten Zähler 26 an die Transfer-Einheit wei­ tergegebenen Signale mit dem Inhalt des ersten Zählers 25 auf­ summiert werden.

Zur Verbesserung des Signalflusses sind zusätzlich zu den Zäh­ lern 25, 26 Comparatoren 28, 29 mit den Einzelsensoren 23a, 23b verbunden. Diese Comparatoren können Veränderungen der Strichco­ demarkierungen durch Vergleich mit Testsignalen feststellen und dabei die entsprechenden Schaltvorgänge der Zähler 25, 26 bzw. der Transfer-Einheit 27 auslösen.

Der beschriebene Schaltungsablauf ist nicht nur in einer Rich­ tung, sondern in jeder Bewegungsrichtung wirksam. Es kommt dabei nur darauf an, daß die Schaltzeit für die Sensoren ausreicht, damit keine Kodierung am Sensor vorbeiläuft ohne erfaßt zu wer­ den.

Für schnellbewegte Maschinenteile mit hohen Beschleunigungs­ zahlen ist es erforderlich, die Sensoren in einem Abstand von mehreren Strichcodierungen anzuordnen. Erfahrungswerte zeigen, daß die Sensoren mindestens ein Abstand von drei Strichcodes aufweisen sollten, damit der Funktionsablauf für die Positions­ erfassung zuverlässig arbeiten kann.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Positionserfassung von bewegten Maschinen­ teilen, bestehend aus mindestens zwei als Taktlineale aus­ gebildeten Codeträgern (1a, b) mit jeweils gleichbeabstan­ deten Codemarken (3), die von einem Sensor (4) abtastbar sind, der mit einem Zählwerk (5) über Leitungen (6a, b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem Sensorschlitten (7) ein weiterer Sensor (8) angeordnet ist, der über eine Leitung (9a) mit einem Compa­ rator (10) verbunden ist, wobei der Comparator (10) eine Prüfeinrichtung (10′) für die über Leitung (9a) empfangenen Codesignale enthält und diese Codesignale bei Nichtüberein­ stimmung mit einem Testsignal an ein Zählwerk (11) wei­ tergeleitet werden, während das Zählwerk (5) von der Lei­ tung (6b) getrennt ist,
und daß zwischen dem Sensor (4) und dem Zählwerk (5) ein weiterer Comparator (12) angeordnet ist, wobei der Compara­ tor (12) eine Prüfeinrichtung (12′) für die über Leitung (6a) empfangenen Codesignale enthält und diese Codesignale bei Nichtübereinstimmung mit einem Testsignal an eine Transfereinheit (13) über eine Leitung (14) gegeben werden, wobei die Transfereinheit (13) die vom Zählwerk (11) über Leitung (15) empfangenen und aufsummierten Signale an das Zählwerk (5) über Leitung (16) abgibt und damit das Zähl­ werk (5) wieder mit der Leitung (6a, b) zum Empfang neuer Signale aus dem Sensor (4) verbunden ist.

2. Vorrichtung zur Positionserfassung von bewegten Maschinen­ teilen, bestehend aus mindestens zwei als Taktlineale aus­ gebildeten Codeträgern (1a, b) mit jeweils gleichbeabstan­ deten Codemarken (3), die von einem Sensor (4) abtastbar sind, der mit einem Zählwerk (5) über Leitungen (6a, b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Übergang von einer Codemarkierung (3a) auf eine neue Codemarkierung (3b) ein auf einem Sensorschlitten (7) angeordneter zweiter Sensor (8) über eine Leitung (9a) mit einem Comparator (10) verbunden ist, der eine Prüfeinrich­ tung für die über Leitung (9a) empfangenen Codesignale enthält,
daß bei Änderung der Codesignale das Zählwerk (5) von der Leitung (6b) getrennt ist und der Comparator (10) über eine Leitung (17) mit einem Zählwerk (11) verbunden ist,
daß bei Empfang des geänderten Signals durch Sensor (4) das Zählwerk (11) abgeschaltet wird und die im Zählwerk (11) gespeicherten Signale über eine Leitung (15) mit einer Transfereinheit (13) verbunden sind, die das Ergebnis der bisher im Zählwerk (5) auf summierten Kurzsignale mit denen vom Zählwerk (11) transferierten Signalen zusammenführt.

3. Verfahren zur Positionsbestimmung von bewegten Maschinen­ teilen, wobei ein optisches Signal von einem Emitter (20) über ein mit Strichcodemarkierungen (21) versehenes Taktli­ neal (22) von einem Sensor (23) empfangen wird und der Sensor (23) ein elektrisches Taktsignal entsprechend der Strickcodemarkierung an einen Zähler weitergibt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Taktlineal (22) aus mindestens zwei Taktlineal­ abschnitten (22a, 22b) besteht, die mit versetzten Strich­ codemarkierungen (21a, 21b) versehen sind,
daß die Sensoreinheit aus zwei Einzelsensoren (23a, 23b) besteht, wobei der in Bewegungsrichtung (24) vornliegende Sensor (23b) bei Erreichen eines neuen Taktlinealabschnit­ tes (21b) eines Zählers (25) des ersten Sensors (23a) ab­ schaltet und die Strichcodemarkierungen (21b) des neuen Taktlinealabschnittes (22b) zählt und abspeichert bis der erste Sensor (23a) ebenfalls den neuen Taktlineal­ abschnitt (21b) erreicht und dann den Zähler (26) des zwei­ ten Sensors (23b) stillsetzt, während der erste Zähler (25) weiterzählt und die vom zweiten Zähler gespeicherten Takt­ signale aufsummiert werden.