DE19625016A1

DE19625016A1 - Verfahren zur genauen Positionsmessung

Info

Publication number: DE19625016A1
Application number: DE1996125016
Authority: DE
Inventors: Rudolf Galster; Klaus Dr Marx; Franz Dr Jost; Hartmut Rohde
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-06-22
Filing date: 1996-06-22
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2016-06-23
Also published as: GB9713153D0; JPH1062151A; GB2314420B; DE19625016B4; GB2314420A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur genauen Positionsmessung, insbesonders ein Längenmeßsystem nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Für verschiedene industrielle Einsatzbereiche wie beispielsweise die Vermessung von Pneumatik/Hydraulik-Kolben oder die Justierung von Werkzeugmaschinen oder generell für eine exakte Positionierung eines Teils werden berührungslose, schmutzunempfindliche und hochgenaue Positionsmeßeinrichtungen benötigt. Solche Positionsmeßeinrichtungen umfassen beispielsweise optische oder induktive Längenmeßsysteme. Die optischen Systeme sind üblicherweise schmutzempfindlich und benötigen ein für Licht durchsichtiges Medium zwischen dem Meßteil und dem Meßsystem. Die induktiven Systeme haben üblicherweise nur eine eingeschränkte Genauigkeit. Es werden daher Auswerteverfahren für Positionsmeßeinrichtungen vorgeschlagen, die die Genauigkeit erhöhen. Ein solches Verfahren arbeitet beispielsweise nach dem Nonius-Prinzip. Beim Nonius-Prinzip wird eine zusätzliche Strichteilung an Längen- bzw. mit Winkelmeßgeräten eingesetzt, die dazu dient, Bruchteile oder Zwischenwerte an einer gleichmäßig geteilten Hauptskala abzulesen statt zu schätzen. Der sogenannte Nonius ist dabei parallel der Hauptskala verschiebbar angeordnet und hat eine Teilung, die um einen Bruchteil enger geteilt oder weiter geteilt ist als die Hauptskala. Werden solche Skalen bzw. Maßstäbe mit unterschiedlich periodischer Teilung abgetastet, läßt sich aus der Phasendifferenz auf die absolute Position der Abtastsensoren schließen. Voraussetzung ist, daß die beiden Sensoren sich nebeneinander über jeweils einem Maßstab befinden. Mit einer solchen Positionsmeßeinrichtung kann zwar aus der Phasendifferenz auf die absolute Position geschlossen werden, Meßunsicherheiten der Abtastsensoren ergeben bei diesem Verfahren jedoch beträchtliche Fehler und es sind daher modifizierte Auswerteverfahren entwickelt worden, mit denen beispielsweise aus der Phasendifferenz nur die Periode der Maßstäbe bestimmt wird, während die genaue Position mit den direkten Sensorwerten ermittelt wird.

Auch bei solchen Verfahren können jedoch an den Periodengrenzen größere Meßfehler auftreten. Es wird daher in der Druckschrift "Magnetoresistiver Sensor mit großen Einbautoleranzen zur inkrementalen und absoluten Längenmessung von Dr. Fritz Dettmann und Uwe Loreit vom Institut für Mikrostrukturtechnologie und Optoelektronik in Wetzlar" vorgeschlagen, die bekannten Meßverfahren so weiterzuentwickeln, daß der zu messende Weg bzw. die zu messende Position wie beim Nonius-Prinzip mit zwei periodischen Maßstäben versehen wird, wobei der eine Maßstab so gewählt wird, daß m Perioden auf der Gesamtlänge L vorhanden sind und der zweite Maßstab m+1 Perioden auf dieser Länge hat. Die Maßstäbe haben damit also eine lineare Wegabhängigkeit, die von zwei Sensoren gemessen wird. Für die Weg- bzw. Positionsmessung können entweder die Maßstäbe oder die Sensoren bewegt werden.

Wird die Phasendifferenz nur dazu verwendet, zu entscheiden, in welcher Periode der Maßstäbe man sich befindet und wird dann eines der Sensorsignale verwendet um die genaue Position innerhalb der Periode festzustellen, wird der Fehler bei der Auswertung innerhalb der Perioden sehr klein, aber an den Periodengrenzen können sich nach wie vor große Fehler ergeben, die durch einen Zuordnungsfehler entstehen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur genauen Positionsmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Meßfehler der einzelnen Sensoren stark reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist, daß auch an den Periodengrenzen eine genaue Messung durchgeführt werden kann. Erzielt werden diese Vorteile, indem in einem Auswertealgorithmus berücksichtigt wird, daß zwischen den beiden Sensorsignalen ein bestimmter Zusammenhang existiert. Dieser Zusammenhang muß zwangsweise existieren, denn die Ausgangssignale der Sensoren können nicht beliebige Werte annehmen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgezeigten Maßnahmen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen umfaßt die Zeichnung eine Fig. 1, die die prinzipielle Anordnung der beiden Maßstäbe sowie der beiden Sensoren aufzeigt. In Fig. 2 sind die zugehörigen Sensorsignale sowie die Phasendifferenz zwischen den Sensorsignalen aufgetragen. In Fig. 3 ist ein Fehlerverlauf für eine Auswertung nach dem Nonius-Prinzip aufgetragen, Fig. 4 zeigt den Fehlerverlauf bei Verwendung des modifizierten Nonius-Prinzips nach der eingangs erwähnten Druckschrift. In Fig. 5 ist der Fehlerverlauf bei Verwendung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens dargestellt.

Beschreibung

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung dargestellt, für die das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Die in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Anordnung ist an sich aus der Druckschrift "Magnetoresistiver Sensor mit großen Einbautoleranzen zur inkrementalen und absoluten Längenmessung von Dr. Fritz Dettmann und Uwe Loreit vom Institut für Mikrostrukturtechnologie und Optoelektronik in Wetzlar" bereits bekannt. Sie umfaßt einen Träger 10, auf dem die beiden Maßstäbe M1 und M2 aufgebracht sind. Diese Maßstäbe können Bestandteil des Trägers sein, es kann sich dabei beispielsweise um Bereiche mit unterschiedlicher Magnetisierung oder unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung handeln oder um optische Elemente. Die einzelnen Elemente, die jeweils eine Periode bilden sind in der einen Spur mit E1 und in der anderen Spur mit E2 bezeichnet.

Die beiden Maßstäbe M1 bzw. M2 werden mit Hilfe zweier Sensoren SE1 und SE2 abgetastet, die bei magnetischen Elementen beispielsweise als Hallsensoren oder induktive oder magnetoresistive Aufnehmer ausgestaltet sind. Bei optisch markierten Maßstäben werden entsprechend optische Sensoren eingesetzt, beispielsweise lichtempfindliche Dioden, die dann in Verbindung mit einem lichtemittierenden Element zusammenwirken.

Die Ausgestaltung der beiden Maßstäbe M1 und M2 ist so, daß der eine Maßstab über die Meßlänge L verteilt m Elemente E1 aufweist, die m Perioden bilden. Der zweite Maßstab weist über dieselbe Länge verteilt m+1 Elemente E2 auf, die m+1 Perioden bilden. Beide Maßstäbe haben eine lineare Wegabhängigkeit, die mit Hilfe der beiden Sensoren SE1 und SE2 gemessen wird. Für diese Wegmessung können entweder die Maßstäbe oder die Sensoren bewegt werden, wobei sich dann jeweils entweder beide Maßstäbe oder beide Sensoren in gleicher Weise bewegen.

Die Meßsignale U1, U2, die in den beiden Sensoren SE1 und SE2 entstehen, sind in der Fig. 2 in Abhängigkeit von der Position der Sensoren aufgetragen. Weiterhin ist in Fig. 2 die Phasendifferenz PD zwischen den beiden Sensorsignalen U1 und U2 aufgetragen, die linear mit der Position p der Sensoren ansteigt.

Da die Phasendifferenz PD linear mit der Position bzw. mit dem Weg ansteigt, läßt sich aus der Phasendifferenz die Position bzw. der Weg bestimmen. Diese Bestimmung entspricht dem Nonius-Prinzip. Der sich aufgrund des Rauschens ergebende Meßfehler F1 bezogen auf die Gesamtlänge L ist in der gleichen Größenordnung wie das Rauschen des einzelnen Sensors. Der Fehlerverlauf bei Anwendung des Nonius-Prinzips ist in Fig. 3 angegeben. Er schwankt in einem Bereich von etwa ± 4.%.

Wird dagegen eine Auswertung durchgeführt wie sie im eingangs genannten Stand der Technik vorgeschlagen wird, wird also die Phasendifferenz zwischen den beiden Sensorsignalen nur dazu verwendet, zu entscheiden, in welcher Periode der Maßstäbe sich die Sensoren befinden und wird dann eines der Sensorsignale verwendet um die genaue Position innerhalb dieser Periode festzustellen, läßt sich der Fehler verringern. Messungen haben ergeben, daß sich dann ein Fehlerverlauf einstellt, wie er in Fig. 4 aufgetragen ist. Der Fehler F2 ist dann innerhalb der Perioden sehr klein aber den Periodengrenzen PG, also in den Übergangsbereichen zwischen einzelnen Elementen E1 oder E2 der Maßstäbe ergeben sich große Fehler von bis zu 10%, die durch einen Zuordnungsfehler entstehen.

Wird dagegen die Auswertung nach einem Verfahren durchgeführt, das im folgenden näher beschrieben wird, läßt sich der Fehler F3 auch an den Periodengrenzen deutlich reduzieren. Der Fehlerverlauf beim im folgenden vorgestellten Meßprinzip ist in Fig. 5 aufgetragen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur genauen Positionsmessung werden die Sensorausgangssignale mit Hilfe eines Algorithmus verarbeitet. Dem Algorithmus liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zwischen den Werten der beiden Sensorsignale ein Zusammenhang existiert. Dieser Zusammenhang ist zwangsweise vorhanden, denn die Sensorsignale können nicht beliebige Werte annehmen.

Wird das auf das Maximum der Sensorsignale normierte Signal des Sensors 1 mit S1 bezeichnet und das auf das Maximum normierte Signal des Sensors 2 mit S2, dann muß der Ausdruck:

S2 _* m - S1 _* (m+1) = Z

eine ganze Zahl Z sein. Bedingt durch Meßfehler und Ungenauigkeiten wird dies in der Praxis allerdings nicht der Fall sein, es wird also bei der Lösung der obengenannten Gleichung keine ganze Zahl erhalten, deshalb wird die nächste ganze Zahl k gewählt, für die die folgende Bedingung gilt:

k = [S2 _* m - S1 _* (m+1)]

Mit der so ermittelten Zahl k läßt sich die zu messende Position, also die Position, an der sich die Sensoren SE1, SE2 befinden, berechnen. Diese zu messende Position ist mit XM bezeichnet. Für die Berechnung dieser Position gilt folgender Zusammenhang:

XM = L/2 _* m _* (m+1) _* [S1 _* (m+1) + S2 _* m + k _* (2 _* m+1)]

Ergibt die Lösung dieser Gleichung daß XM negativ ist, wird die zu messende Position erhalten, in dem zum negativen Ergebnis von XM die Gesamtlänge der Maßstäbe L addiert wird. Es gilt dann:

XM′ = XM + L

Wird für die so ermittelte Position XM eine Fehlerrechnung durchgeführt, wird der in Fig. 5 dargestellte Fehlerverlauf erhalten, wobei der prozentuale Fehler des Meßwertes XM angegeben wird.

Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist liegt der Fehler F3 immer innerhalb einer Spanne von ± 0,2%.

Zusätzlich zu diesem sehr geringen Meßfehler hat das Verfahren den Vorteil, daß ein Sensorausfall erkannt werden kann, da die Zahl k sich nicht stetig ändert, sondern nur Sprünge von ± m und ± (m+1) ausführen kann, sofern beide Sensoren im Rahmen einer festgelegten Genauigkeitsgrenze arbeiten. Wenn einer der beiden Sensoren ausfällt ändert sich k um einen Wert von ± 1. Durch Überprüfung der Änderung der Größe k läßt sich also erkennen, ob beide Sensoren ordnungsgemäß funktionieren oder ob einer der beiden Sensoren defekt ist.

Das beschriebene Verfahren läuft üblicherweise in einer Auswerteeinrichtung A ab, der die Ausgangssignale der Sensoren SE1 und SE2 zugeführt werden. Diese Auswerteeinrichtung A umfaßt beispielsweise einen Mikroprozessor, in dem die erforderlichen Berechnungen und Vergleiche ablaufen.

Claims

1. Verfahren zur genauen Positionsmessung bei einer Vorrichtung mit einem Träger, der zwei periodische Maßstäbe der Länge L mit jeweils gleichartigen Bereichen, die jeweils eine Periode bilden, aufweist, wobei die Längen der Bereiche so gewählt werden, daß auf einem Maßstab m und auf dem anderen Maßstab m+1 Bereiche vorhanden sind, mit zwei Sensoren, die jeweils einem Maßstab zugeordnet sind und gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale liefern, die in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, wobei entweder der Träger oder die Sensoren bewegbar sind und die Sensoren die zu ermittelnde Position definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die zu ermittelnde Position der beiden Sensoren mit Hilfe eines Algorithmus ermittelt wird, der den Zusammenhang zwischen den beiden auf ihr jeweiliges Maximum normierten Ausgangssignalen der beiden Sensoren sowie die unterschiedliche Periodenlänge der beiden Maßstäbe mitberücksichtigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdruck Z = S2 _* m - S1 _* (m+1) ermittelt wird, daß überprüft wird, ob Z eine ganze Zahl ist und falls dies nicht der Fall ist, die Z am nächsten kommende Zahl k gewählt wird und die zu messende Position dann durch Lösung der Gleichung: XM = L/2 _* m _* (m+1) _* [S1 _* (m+1) + S2 _* m + k _* (2 _* m+1)]berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß geprüft wird, ob XM positiv oder negativ ist und falls XM negativ ist die zu messende Position nach der Beziehung: XM′ = XM + Lermittelt wird, wobei L die Länge der Maßstäbe ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Plausibilitätsüberprüfungen durchgeführt werden, die die Änderung der Zahl k betreffen, wobei ein Sensordefekt dann erkannt wird, wenn sich die Zahl k nicht in vorgebbarer Weise ändert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensordefekt erkannt wird, wenn sich die Zahl k um ± 1 ändert.