DE3543218C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Patent­ anspruch 2.

Es ist ein Verfahren zur Positionsregelung beispielsweise bei Magnetschnellbahnen bekannt, um die Beschleunigung, die Geschwindigkeit und den Weg der Be­ wegung so zu regeln, daß aus einer Fahrbewegung heraus ein Zielpunkt rasch erreicht wird. Bei dem bekannten Verfahren wird zunächst die Bremsverzögerung aufgebaut. Dann erfolgt ein Bremsen mit konstanter, maximaler Verzögerung. Schließlich wird die Bremsverzögerung bis zum Stillstand des Fahrzeugs am Zielpunkt abgebaut. Für die Zielbewegung wird über einen nichtlinearen Funktionsgeber der Ge­ schwindigkeitssollwert wegabhängig vorgegeben. Kurz vor dem Ort, wo die Verzögerung wieder abgebaut werden muß, wird auf eine direkte Zustands­ regelung des Weges umgeschaltet. Weil die Fahrzeuge der Magnetschnellbahn schienengebunden sind, erfolgt dort nur eine Positionierung in einer Dimen­ sion, nämlich entlang der Schiene; (Siemens Forsch.- und Entwickl.-Ber. Bd. 10 (1981) Nr. 6, Seite 379-384).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, die es insbesondere für technische und medizinische Zwecke erlauben, zwei Objekte, die keine spezifische Positionsbeziehung haben, in beliebigen gegenseitigen Positionen innerhalb eines dreidimensionalen Raumes zu positionieren, ohne daß die Objek­ te einander berühren.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 2 gelöst.

Das Verfahren und die Vorrichtug nach der Erfindung erlauben es, die ge­ genseitige Lage von zwei Objekten, die sechs Freiheitsgrade und keine spe­ zielle Positionsbeziehung haben und sich nicht gegenseitig berühren, inner­ halb eines dreidimensionalen Raumes zu erfassen und gegebenenfalls diese Ob­ jekte in beliebige Stellungen mit vorgegebener gegenseitiger Positionsbeziehung in allen fünf oder sechs Freiheitsgraden zu bringen. Eine Positionierung in fünf Freiheitsgraden ist nachstehend näher erläutert. Eine Positionierung mit sechs Freiheitsgraden ist in der Weise möglich, daß eine Einstellung auf einen bestimm­ ten Winkel mit Bezug auf die Mittelachse des Magnetfeldes der Magnetfeldquelle erfolgt.

Weil als Informationsmedium der Magnetismus ausgenutzt wird, läßt sich das er­ findungsgemäße Verfahren auch dann anwenden, wenn sich zwischen den beiden Objekten ein Hindernis befindet, solange das Hindernis nicht aus einem magneti­ schen Stoff besteht, welcher das von der Magnetfeldquelle erzeugte Magnetfeld beeinträchtigt. Infolgedessen können zwei Objekte selbst dann genau mit Bezug aufeinander positioniert werden, wenn zwischen beiden keine Sichtverbindung besteht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13 erlaubt es, den Röntgenstrahlgenera­ tor innerhalb eines dreidimensionalen Raumes mit hoher Genauigkeit gegenüber dem Röntgenfilm zu positionieren.

Mittels einer solchen Vorrichtung ist es daher beispielsweise möglich, die Länge von Zahnwurzeln zu messen, was für eine zahnärztliche Diagnose wichtig ist. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung bieten auf diese Weise zahlreiche Vorteile insbesondere bei medizinischen und zahnmedizinischen Anwen­ dungen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgen­ den anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Positionsbeziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt in einem Magnetfeld bei Anwen­ dung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2a, 2b, 2c Anordnungsbeispiele der magnetischen Sen­ soren für die Abgleichsermittlung,

Fig. 3a und 3b Anordnungsbeispiele des magnetischen Ab­ tastsensors,

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Steuerab­ folge,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Vorrichtung der Erfindung bei vollautomatischer Regelung,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild der Ausführungsform gemäß Fig. 5,

Fig. 7, 8 das mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 6 gesteuerte Positioniersystem, in verschiedenen Ansichten,

Fig. 9 ein Prinzipschaltbild der Vorrichtung nach der Er­ findung in halbautomatischer Ausführung,

Fig. 10 ein Ablaufdiagramm der halbautomatischen Steuerabfolge,

Fig. 11 ein Schaltbild der Anordnung nach Fig. 9,

Fig. 12 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Röntgen­ aufnahmevorrichtung,

Fig. 13 eine Skizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 14a und 14b das Eingangsmagnetfeld der in einem Magnet­ feld liegenden magnetischen Sensoren,

Fig. 15 die Magnetfeldverteilung bei dem Verfahren nach der Erfindung, wenn die Ausgangssignale der magnetischen Abgleichsermittlungssensoren miteinander überein­ stimmen,

Fig. 16 bis 18 Koordinatenumwandlungs-Funktionsdiagramme, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens benutzt werden können, und

Fig. 19 die Anordnung der magnetischen Abgleichsermittlungs­ sensoren, deren Ausgangssignale von der Überein­ stimmungsauswertebedingung der Sensorausgänge aus­ geschlossen sind.

Fig. 1 zeigt ein erstes Objekt 1 und ein zweites Objekt 3 in einem Magnetfeld bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens. Ein Magnetfeld, das symmetrisch mit Bezug auf eine erste Mittelachse O _M ist, wird mittels einer Magnet­ feldquelle 2 erzeugt. Als magnetische Feldquelle können ein Permanentmagnet, beispielsweise ein scheibenförmiger oder zylindrischer Magnet, oder ein Elektromagnet vorgesehen sein. Das zweite Objekt 3 weist zwei voneinander verschiedene Ebenen A und B auf, die senkrecht zu der zweiten Mittelachse O _C des zweiten Objekts stehen. Magnetische Abgleichsermittlungssensoren 4 liegen in der Ebene A, während ein magnetischer Abtastsensor 5 in der Ebene B angeordnet ist. Bei diesen magnetischen Sen­ soren kann es sich vorzugsweise um Fluxgatesensoren, Hallsen­ soren oder Magnetmodulationssensoren handeln.

Die magnetischen Abgleichsermittlungssensoren 4 befinden sich an drei oder mehr Erfassungspunkten auf einer Kreisbahn in gleichem Abstand von der Mittelachse O _C des zweite Objekts, so daß die weiter unten erläuterte Übereinstimmungsbedingung erfüllt werden kann. Wenn drei oder mehr magnetische Abgleichsermittlungs­ sensoren 4 vorgesehen sind, sollten sie derart angeordnet sein, daß sie von der Mittelachse O _C des zweiten Objekts gleichen Ab­ stand haben und die Empfindlichkeitsachsen der Sensoren ein­ ander an einem auf der Mittelachse liegenden Punkt schneiden oder parallel zueinander verlaufen. Es kann auch ein einziger Magnetsensor vorgesehen sein, der die Magnetfelder an minde­ stens drei Erfassungspunkten ermittelt, indem er in der vor­ stehend genannten Bahn eine kreisförmige Abtastbewegung aus­ führt.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen Anordnungsbeispiele der magne­ tischen Abgleichsermittlungssensoren 4. Mit C ist der Schnitt­ punkt zwischen der Ebene A und der zeiten Mittelachse O _C bezeichnet. Der Abstand der Sensoren 4 von der zweiten Mittelachse O _C ist mit r bezeichnet. l 1, l 2, l 3 und l 4 stellen die Richtungen der Empfindlichkeitsachsen der magnetischen Abgleichsermittlungs­ sensoren 41, 42, 43 bzw. 44 dar. Fig. 2a zeigt ein Anordnungs­ beispiel der magnetischen Abgleichsermittlungssensoren 41, 42 und 43. Die Empfindlichkeitsachsen l 1, l 2 und l 3 der Sensoren schneiden die zweite Mittelachse O _C an einem gemeinsamen Punkt. Fig. 2b zeigt ein anderes Anordnungsbeispiel der magnetischen Ab­ gleichsermittlungssensoren 41, 42 und 43. In diesem Fall verlaufen die Empfindlichkeitsachsen l 1, l 2 und l 3 der Sen­ soren parallel zu der zweiten Mittelachse O _C . Während bei den Ausfüh­ rungsbeispielen der Fig. 2a und 2b drei Abgleichsermitt­ lungssensoren vorgesehen sind, kann auch mit vier derartigen Sensoren gearbeitet werden, wie dies in Fig. 2c veranschau­ licht ist. Bei dem Anordnungsbeispiel gemäß Fig. 2 schneiden die Empfindlichkeitsachsen l 2 und l 3 der Sensoren 42 und 43 die zweite Mittelachse O _C an einem gemeinsamen Punkt. Die Empfind­ lichkeitsachsen l 1 und l 4 der Sensoren 41 und 44 verlaufen dagegen parallel zu der zweiten Mittelachse O _C .

Fig. 3a zeigt das Abtasten mittels des Abtastmagnetsensors 5 entlang einer kreisförmigen Bahn. Entsprechend der abgewan­ delten Ausführungsform des Abtastmagnetsensors gemäß Fig. 3b sind mehrere Abtastmagnetsensoren 5 entlang einer kreisför­ migen Bahn und in vorbestimmten gegenseitigen Abständen in gleichem Abstand r von dem Schnittpunkt C′ der Ebene B mit der zweiten Mittelachse O _C angeordnet.

Die vorliegend erforderliche Verteilungsinformation der magnetischen Feldstärke wird dadurch erhalten, daß ein einzelner oder mehrere Abtastma­ gnetsensoren entlang einer Kreisbahn bewegt werden, um nacheinan­ der elektronisch die Feldstärke an einer Mehrzahl von Stellen zu erfassen, oder daß gleichzeitig die Ausgangssignale einer Mehrzahl von Abtastmagnetsensoren verwendet werden.

Im Ablaufdiagramm der Fig. 4 erfolgt im Schritt 100 eine Initialisierung des Positionierprogramms. Im Schritt 101 wird eine Verstelleinrichtung 10 ange­ trieben, um das zweite Objekt 3 näher an das erste Objekt 1 heran oder von einem weg zu bewegen. Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis eine Übereinstimmungs-Auswerteeinrichtung 6 feststellt, daß eine vorbestimmte Übereinstimmungsbedingung erfüllt ist. Diese im Schritt 102 ausgeführte Auswertung be­ stimmt also, ob die Ausgangssignale der Abgleichermittlungs­ sensoren 4 oder die Ausgangssignale einer bestimmten Kombi­ nation dieser Sensoren miteinander übereinstimmen. Wenn die erläuterte Auswertung im Schritt 102 erfolgt, führt der magne­ tische Abtastsensor eine kreisförmige Abtastbewegung aus. Da­ durch wird die Information über die magnetische Feldstärkeverteilung gewonnen. Insbesondere werden drei mathema­ tisch unabhängige Magnetfeldinformationen gewonnen, nämlich der Mittelwert und der Variationswert der eingangsseitig von dem Abtastsensor 5 erfaßten Magnetfeldkomponente sowie die Dreh­ winkel des Abtastsensors, wo maximale und minimale Magnetfeld­ komponenten vorliegen. Anhand dieser Information errechnet eine Positions- und Richtungsdetektoreinrichtung 8 die Position und die Richtung des zweiten Objekts gegenüber der Magnetfeld­ quelle 2 auf dem ersten Objekt 1 (Schritt 104). Nachdem die Posi­ tion und Richtung des zweiten Objekts 3 errechnet sind, wird in Abhängigkeit von der Soll-Positions/Richtungs-Information (der Information zur Vorgabe von Position und Richtung des zweiten Objektes 3) die Stellgröße für die Verstelleinrich­ tung 10 errechnet. In Abhängigkeit von der errechneten Stell­ größe treibt eine Steuer- oder Regeleinrichtung 9 die Ver­ stelleinrichtung 10, um das zweite Objekt 3 in die der Soll- Position/Richtungs-Information entsprechende Stellung zu brin­ gen.

Die in Fig. 6 dargestellte Mikrocomputeranordnung MICOM weist eine Zentraleinheit CPU, einen Festspeicher ROM, einen Speicher RAM mit wahlfreiem Zugriff und Eingabe/Ausgabe-Übergangsstellen auf.

Der Festspeicher ROM speichert das Programm zur Durchführung des geschilderten Verfahrens und die Daten ein, die notwendig sind, um die Position und Richtung des zweiten Objekts aus der Ver­ teilung der magnetischen Feldstärke zu errechnen. Der Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) sorgt für eine Zwischen­ speicherung der für die Steuer- oder Regelvorgänge notwendigen Daten. Die Ausgangssignale der magnetischen Abgleichsermitt­ lungssensoren 4 und das Ausgangssignal des magnetischen Ab­ tastsensors 5 gehen der Zentraleinheit CPU über Analog/Digital- Wandler 12 und die Eingabe/Ausgabe-Übergangsstellen zu, so daß die betreffenden Ausgangssignale von dem Mikrocomputersystem MICOM erkannt werden können. Die von der Zentraleinheit angelie­ ferten Steuer- oder Regelsignale werden einer Aktivierungs­ einrichtung 7 für den Abtastsensor 5 und der Verstelleinrich­ tung 10 über die Eingabe/Ausgabe-Übergangsstellen zugeleitet. Eine Display- oder Wiedergabeeinheit 11 nachfolgend nur als Wiedergabeeinheit bezeichnet wird benutzt, um Informa­ tionen über Steuer- oder Regelzustände darzustellen.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die Vorrichtung gemäß Fig. 6 mit der Verstelleinrichtung gemäß Fig. 7 kombiniert. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 wird eine Magnetscheibe als die auf dem ersten Objekt 1 sitzende Magnet­ feldquelle 2 benutzt. Das zweite Objekt 3 kann mittels einer Verstelleinrichtung bewegt werden, die Bewe­ gungspunkte P 1 bis P 5 aufweist.

P 5 ist ein Punkt, der sich entlang der X ₀-Achse des in Fig. 7 angedeuteten Koordinatensystems X ₀, Y ₀, Z ₀ bewegt. P 4 und P 3 sind Punkte, die waagrechte Drehbewegungen um Winkel ϕ ′′ und ϕ ′ ausführen. Durch Kombination dieser drei Bewegungspunkte P 5, P 4 und P 3 wird das zweite Objekt in jedem beliebigen Punkt des Koordinatensystems (X ₀, Y ₀, Z ₀) positioniert.

P 2 ist ein Punkt, um den das zweite Objekt 3 in horizontaler Ebene um einen Winkel ϕ schwenkt. P 1 ist ein Punkt, um den das zweite Objekt 3 in lotrechter Ebene um einen Winkel R schwenkt. Durch die Bewegung der Punkte P 1 bis P 5 bewegt die Verstelleinrichtung das zweite Objekt zu einer gewünschten Position und in die gewünschte Richtung in fünf Freiheits­ graden, ausgenommen einer Drehung um die Mittelachse Z _C des zweiten Objekts 3.

Die Bewegungspunkte P 1 bis P 5 der Verstelleinrichtung werden mittels der in Fig. 6 dargestellten Antriebsmotore angetrieben. Die Rechenergebnisse der Zentraleinheit CPU werden benutzt, um die Treiberschaltungen für die Antriebsmotore anzusteuern. Die Fig. 8 zeigt die Verstellbewegung von P 4 und P 3 der oben erläuterten Verstelleinrichtung. Weil P 4 und P 3 horizontale Schwenkbewegungen um die Winkel ϕ ′′ bzw. ϕ ′ bewirken, er­ folgt eine Positionierung des zweiten Objekts 3 zu jeder ge­ wünschten Stelle in dem zweidimensionalen Koordinatensystem der Ebene, die parallel zu der Y ₀-Z ₀-Ebene ist.

Die Verstelleinrichtung kann auch derart ausgelegt sein, daß ein Punkt (P 4 oder P 3) eine Bewegung entlang einer linearen Bahn ausführt, während der andere Punkt schwenkt. In diesem Fall muß jedoch ein Arm ausgefahren und eingezogen werden, um eine lineare Bewegung durchzuführen.

Es versteht sich, daß die Bewegungspunkte P 1 bis P 5 unter Ver­ wendung von bekannten elektrischen und mechanischen Einrich­ tungen verstellt werden können.

Im Falle der halbautomatischen Steuerung siehe Fig. 9 und 10, wird das zweite Ob­ jekt 3 durch Handbetätigung bewegt, während die Ausgangssigna­ le der oben erläuterten Abgleichsermittlungssensoren 4 kontrol­ liert werden. Infolgedessen sind die Wiedergabeeinheit 11 zur Überwachung der Steuerbedingungen, d. h. der Positionierung des zweiten Objekts 3, und die Betätigungseinheit 13 zur Handsteuerung der Verstelleinrichtung 10 vorgesehen.

Bei dem halbautomatischen Verfahren wird die Verstelleinrich­ tung 10 durch Handbetätigung unmittelbar gesteuert, nachdem er­ mittelt ist, daß die Ausgangssignale der magnetischen Abgleichs­ ermittlungssensoren 4 die oben erläuterte Übereinstimmungsbe­ dingung erfüllen. Diese Ermittlung erfolgt mittels der Über­ einstimmungs-Auswerteeinrichtung 6. Die Verstelleinrichtung 10 wird positioniert, während der Steuerzustand über die Wiederga­ be- oder Displayeinheit 11 überwacht wird. Mittels dieser Ein­ heiten wird die Feineinstellung fortgesetzt, bis auf der Wie­ dergabeeinheit 11 zu erkennen ist, daß der Steuervorgang ab­ geschlossen ist.

In Fig. 10 ist das Ablaufdiagramm für die vorstehend skizzierte Steuerung dargestellt. Die halbautomatische Steuerung eignet sich besonders für eine Ausrichtung der Mittelachse O _C des zweiten Objekts 3 mit der magnetischen Mittelachse O _M der Magnetfeld­ quelle 2 auf dem ersten Objekt 1. Diese Art der Steuerung ist nachstehend kurz als Achsenausrichtung bezeichnet. Für die in diesem Falle notwendige Beurteilung eignet sich insbesondere eine Wiedergabeeinheit 11 mit ein Balkendiagramm bildenden Lichtemissionsdioden (LED-Kette).

Eine solche Wiedergabeeinheit 11 kann insbesondere in Verbindung mit vier Abgleichsermittlungssensoren 4 eingesetzt werden, die in der in Fig. 2c veranschaulichten Art kreuzweise angeordnet sind. Das heißt, die vier Magnetsensoren liegen in 90°-Abständen auf einem Kreis, der konzentrisch zu der Mittelachse O _C des zweiten Objekts 3 verläuft. Die LED-Ketten leuchten in Abhängig­ keit von der Regelabweichung auf, bis die Achsenausrichtung ab­ geschlossen ist. Nach abgeschlossener Achsenausrichtung leuchtet die mittlere Leuchtdiode auf, um dies erkennen zu lassen.

Zusätzlich zu der Anwendung für die geschilderte Achsenausrich­ tung kann das erfindungsgemäße, halbautomatisch durchgeführte Verfahren auch benutzt werden, um das zweite Objekt 3 so zu positionieren, daß es in fünf Freiheitsgraden, ausschließlich einer bestimmten Winkelposition um die magnetische Mittelachse O _M der Magnetfeldquelle 2, jede beliebige Positionsbeziehung gegenüber dem ersten Objekt 1 einnimmt, und zwar auf die glei­ che Weise wie in der oben erläuterten vollautomatischen Rege­ lung. Weil mit Magnetfeldern gearbeitet wird, lassen sich mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung zwei Ob­ jekte gegenseitig positionieren, ohne einander zu berühren, selbst wenn aufgrund eines zwischen den Objekten befindlichen Hindernisses keine Sichtverbindung zwischen den beiden Objek­ ten besteht. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfin­ dung haben infolgedessen einen weiten Anwendungsbereich.

Fig. 12 zeigt die Anwendung der Vorrichtung bei einer zahnärzt­ lichen Röntgenaufnahmeeinrichtung. Um eine Röntgenröhre q (3) der Dentalröntgenaufnahmeeinrichtung zu positionieren, ist ein Magnet M (2), der ein zu der Mittelachse b (O _M ) symmetrisches Magnetfeld erzeugt, auf einem Röntgenfilm f (1) angeordnet. Magnetische Abgleichsermittlungssensoren k 1 (41), k 2 (42), k 3 (43) und k 4 (44) sowie ein magnetischer Abtast­ sensor u (5) sind um den Außenumfang der Röntgenröhre herum angeordnet. Obwohl zwischen dem Röntgenfilm f (1) und dem Magneten M (2) aufgrund des dazwischen befindlichen Aufnahme­ objekts, beispielsweise in Form des Zahnes t, keine Sichtver­ bindung besteht, kann die Mittelachse a (O _C ) des von der Röntgenröhre q (3) abgegebenen Röntgenstrahls ständig senk­ recht zu dem Röntgenfilm f (1) gehalten werden, indem eine Achsenausrichtung in der oben erläuterten Weise vorgenommen wird. Auf diese Weise können Röntgenaufnahmen im sogenannten Parallelverfahren genau ausgeführt werden.

Das Verfahren gestattet es ferner, die Mit­ telachsen a und b der beiden Objekte so einzustellen, daß sie einander unter einem vorgegebenen Winkel in der zu einer be­ kannten Treffebene senkrechten Richtung schneiden. Daher sind auch exakte Röntgenaufnahmen im sogenannten Schnittverfahren möglich.

Das Verfahren eignet sich ferner für verschiedene Werkzeugmaschinen zur Durchführung von Po­ sitionieraufgaben und zur Achsenausrichtung. Insbesondere können auf zwei nicht im Blickfeld des Maschinenführers lie­ gende Objekte derart positioniert werden, daß sie eine be­ stimmte Positions- und Richtungsbeziehung haben.

Das geschilderte Verfahren wird in einem vorgegebenen Raum innerhalb des Magnetfeldes durchgeführt, das von einer Ma­ gnetfeldquelle erzeugt wird und das symmetrisch mit Bezug auf eine magnetische Mittelachse liegt. Der effektive Raum ist im allgemeinen in Abhängigkeit von der magnetischen Feld­ stärke der Magnetfeldquelle 2 beschränkt. Im allgemeinen liegt diese Beschränkung des effektiven Raumes dort, wo die magnetische Mittelachse die Mittelachse des Magnetfeld-Detektorsystems in einem Winkel von näherungsweise ±80° oder weniger schneidet. Dies ist insbesondere auf die Eigenschaften des Magnetfeldes zurückzuführen (beispielsweise Störungen des Magnetfeldes oder Sättigung der Magnetsensoren).

Zur weiteren Erläuterung des Grundgedankens des vorliegenden Ver­ fahrens sei nachstehend die Funktion der magnetischen Sensoren für die Abgleichsermittlung betrachtet; vgl. Fig. 13.

Es sei angenommen, daß ein magnetischer Sensor S in das Magnet­ feld der Magnetfeldquelle M (2) eingebracht wird. Die Magnet­ feldquelle erzeugt ein Magnetfeld, das symmetrisch zu der magnetischen Koordinatenmittelachse Z _M (O _M ) ist. Der Magnet­ sensor S wird um die Mittelachse O _C gedreht, bei der es sich um eine gerade Linie handelt, welche die Empfindlich­ keitsachse des Sensors S schneidet oder zu dieser parallel verläuft. Weil der Magnetsensor S mit der Magnetfeldkomponen­ te in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Magnetsensors S beaufschlagt wird, kann die auf den Sensor S einwirkende Magnetfeldkomponente durch eine perio­ dische Funktion mit einer Periode von 360° dargestellt wird.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß die Mittelachse Z _C (O _C ) des Magnetsensors S die magnetische Koordinatenmittelachse Z _M (O _M ) schneidet. Dabei wird von der magnetischen Koordina­ tenmittelachse Z _M (O _M ) und der Drehachse Z _C (O _C ) des Magnet­ sensors S eine Ebene G bestimmt. Dabei ist l eine Linie, welche die Kreisbahn des Magnet­ sensors S und die Ebene G schneidet. Wenn der Sensor S Punkte P und P′ der Kreisbahn des Sensors S erreicht, die mit Bezug auf die Schnittlinie l symmetrisch zueinander liegen, sind die Magnetfeld-Eingangskomponenten des Sensors S an den zwei symmetrischen Punkten P und P′ bisymmetrisch mit Bezug auf die Drehwinkel λ _G und λ _G + 180° (die Feldkomponenten haben an diesen Punkten den Höchstwert und den Kleinstwert, weil die periodische Funktion symmetrisch ist). Dies ist darauf zurückzuführen, daß entsprechend Fig. 14a das auf den Sensor S einwirkende Magnetfeld symmetrisch im Z _M herum verläuft und daher das Magnetfeld am Punkt P bezüglich der Linie l sym­ metrisch zu dem Magnetfeld am Punkt P′ ist. λ _G stellt dabei den Drehwinkel des Magnetsensors S zwischen von einem Punkt, wo λ = 0 ist und der Schnittlinie l dar. In diesem Zustand ist der Winkel zwischen der Drehachse Z _C des Sensors S und der magnetischen Koordinatenmittelachse Z _M des Magnetfeldes durch δ dargestellt.

Wenn in diesem Zustand die Drehachse Z _C des Sensors S um das Zentrum C der Kreisbahn des Sensors S in der Ebene G gedreht wird, stimmen die einfallenden magnetischen Feldstärkekomponen­ tenwerte des Sensors S bei λ _G und λ _G + 180° nur bei einem einzigen Winkel w _G miteinander überein.

Wenn der Winkel δ _G bestimmt ist, stimmen die Größt- und die Kleinstwerte der einfallenden Magnetfeldkomponente des Sensors S miteinander überein. Infolgedessen ist die einfallende Magnet­ feldkomponente des Sensors S bei jedem beliebigen Drehwinkel λ um die Mittelachse Z _C konstant, wie dies in Fig. 14b darge­ stellt ist. Wenn infolgedessen die Ausgangssignale des Sensors S an mindestens 3 Punkten einer Kreisbahn miteinander überein­ stimmen, schneidet die Drehachse Z _C der Kreisbahn des Sen­ sors S die magnetische Koordinatenmittelachse Z _M des Magnet­ feldes unter einem bestimmten Winkel der in der Praxis im Be­ reich von -80° < δ < +80° liegt.

Wenn λ _G = 0, stimmt die Drehachse Z _C des Sensors S mit der Mittelachse Z _M des Magnetfeldes überein.

Der Winkel w _G wird also ermittelt, wenn die Empfindlichkeits­ achsen der vier oder mehr Abgleichsermittlungssensoren in einer Kreisbahn liegen.

Es versteht sich, daß die in Fig. 2c veranschaulichte spezielle Beziehung (die Empfindlichkeitsachsen jedes Paares der ent­ sprechend der unten erläuterten Bedingung ausgewählten Sensoren schneiden die Rotationsachse Z _C an einem Punkt oder sind paral­ lel zu der Rotationsachse Z _C ) selbst dann erhalten wird, wenn die Empfindlichkeitsachsen der vier oder mehr Sensoren einan­ der nicht auf der Drehachse Z _C schneiden.

In diesem Falle schneiden die Empfindlichkeitsachsen eines Sensorpaares die Drehachse Z _C an einem im Endlichen liegenden Punkt, während die Empfindlichkeitsachsen eines weiteren Sen­ sorpaares parallel zueinander verlaufen. Infolgedessen wird der obengenannte Winkel δ _G bestimmt, wenn das Ausgangssignal eines oberen und unteren Sensorpaares mit dem Ausgangssignal eines rechten und linken Sensorpaares übereinstimmt. Die Über­ einstimmungsbedingung für die Ausgangssignale an den bestimm­ ten oben erläuterten Erfassungspunkten und die obenerwähnte Übereinstimmungsbedingung für die Ausgangssignale aller (drei oder mehr) Erfassungspunkte werden vorliegend als bestimmte Übereinstimmungsbedingungen bezeichnet.

Bei der Beurteilung, daß die Ausgangssignale der vier Magnet­ sensoren S miteinander übereinstimmen, ist jedoch die in Fig. 19 veranschaulichte Kombinationsanordnung (Kombination von A-C und D-B, A-D und B-C) auszuschließen. Die Übereinstimmung der Ausgangssignale eines Paares von parallelen Sensoren ist näm­ lich bei der Analyse die gleiche wie die Übereinstimmung der Ausgangssignale des anderen Sensorpaares, so daß w _G nicht bestimmt werden kann. Dementsprechend ist der Fall auszuschlie­ ßen, daß das Liniensegment an den Erfassungspunkten einer Kom­ bination parallel zu dem Liniensegment der anderen Kombination liegt. Wenn die Ausgangssignale der magnetischen Abgleichser­ mittlungssensoren 4 eine bestimmte Übereinstimmungsbedingung erfüllen, ist die Rotationsachse Z _C (die Mittelachse O _C des zweiten Objekts 3) der Kreisbahn in der Ebene A, auf welcher die magnetischen Abgleichsermittlungssensoren 4 liegen, so positioniert, daß sie die magnetische Koordinatenmittelachse Z _M (die Mittelachse O _M des ersten Objekts 1) in dem bestimm­ ten Winkel g _G schneidet.

Wenn drei unabhängige Magnetfeldinformationen - beispielsweise der Mittelwert und der Variationswert (die Differenz zwischen dem Höchstwert und dem Kleinstwert) der Feldstärkewerte der am Sensor einfallenden Magnetfeldkomponenten und der Abtast­ winkel λ _G , wo der Maximalwert oder der Minimalwert der Inten­ sität der am Sensor einfallenden Magnetfeldkomponente erhalten wird - bekannt sind, nachdem das zweite Objekt 3 in der oben erläuterten bestimmten Position positioniert ist und die Kreis­ bahnebene B (abweichend von der Kreisbahnebene der magnetischen Abgleichsermittlungssensoren 4) für den magnetischen Abtast­ sensor 5 senkrecht zu der Achse Z _C gelegt ist sowie die Ab­ tastung um die Achse Z durchgeführt wird, werden unter Verwen­ dung des in Fig. 16 veranschaulichten Funktionsdiagramms die Koordinaten (z _M , r _M ) des Zentrums C (in der Ebene G) der Kreis­ bahn des Abtastsensors S erhalten. Die Koordinaten (z _M , r _M ) stellen einen Punkt in dem Zylinderkoordinatensystem, gesehen von der Magnetfeldquelle, dar. z _M stellt eine Positionsvektor­ komponente auf der magnetischen Koordinatenmittelachse Z _M des Magnetfeldes dar, und r _M stellt eine Positionsvektorkomponente dar, die senkrecht zu der magnetischen Koordinatenmittelachse Z _M steht.

Wenn die Rotationsachse Z _C die Mittelachse Z _M auf diese Weise schneidet und die Koordinaten (z _M , r _M ) des Zentrums C (in der Ebene G) der Bahn des Sensor S bekannt sind, sind sämtliche Parameter ermittelt, welche fünf Freiheitsgrade einschließlich λ _G (Fig. 13) bestimmen. Daher ist die relative Positions- und Richtungsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt bekannt. Nachdem diese Beziehung bekannt ist, kann die Stellgröße durch eine entsprechende Verarbeitungsoperation der Zentraleinheit errechnet werden. Infolgedessen kann die Verstelleinrichtung 10 positioniert und ausgerichtet werden, um jede beliebige Positions- und Richtungsbeziehung in fünf Frei­ heitsgraden (ausschließlich des Winkels um die Magnetfeld- Mittelachse Z _M der Magnetfeldquelle 2) zu erhalten, indem die in der oben erläuterten Weise ermittelten Positions- und Rich­ tungsinformationen mit den gewünschten Positions- und Rich­ tungsinformationen verglichen werden.

Die Fig. 16 bis 18 stellen Funktionsdiagramme dar, die zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens benutzt werden. Die in den Fig. 16 und 17 veranschaulichten Funktionsdiagramme werden herangezogen, um die zweidimensionalen Koordinaten (z _M , r _M ) aus dem Mittelwert und dem Variationswert des Magnetfeldes zu erhalten. Das Funktionsdiagramm gemäß Fig. 18 dient der Bestimmung von w _G aus dem Mittelwert und dem Variationswert des Magnetfeldes. Die von 1-2-3-4 umschlossene Fläche bildet den praktischen Operationsbereich der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung und sollte in dem Festspeicher der Regeleinrichtung 9 in Form von Tabellendaten oder Gleichungen eingespeichert sein.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine Ausführungs­ form, beispielsweise in Form der Röntgenaufnahmeeinrichtung, wo es nicht notwendig ist, den Axialwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt zu bestimmen, wobei es für die Praxis aus­ reicht, eine Positionierung und Ausrichtung der Objekte in fünf Freiheitsgraden vorzunehmen. Weil die auf den Erdmagne­ tismus zurückzuführende Kompaßrichtung und die lotrechte Richtung zur Erdoberfläche bekannt sind, läßt sich der Winkel λ bestimmen, wenn die Richtung, wo λ = 0 gilt, als Ver­ tikalrichtung bezüglich des terrestrischen Systems mit dem ersten und zweiten Objekt eingegeben wird. Es versteht sich daher, daß so auch eine Positionierung und Ausrichtung in sechs Freiheitsgraden möglich ist. Mit anderen Worten, wenn bei der in Fig. 7 veranschaulichten Vorrichtung das zweite Objekt um seine Achse Z _C drehbar gemacht wird und wenn beispielsweise eine das zweite Objekt abstützende Säule die Gleichung λ = 0 erfüllt, ist es leicht möglich, das erste und das zweite Objekt in sechs Freiheitsgraden mit Bezug aufeinander zu positionieren und auszurichten.

Auch die genannte lotrechte Säule ist nicht immer notwendig, um für eine Positionierung der Objekte in sechs Freiheitsgraden zu sorgen. Eine Positionierung der Objekte in sechs Freiheits­ graden kann z. B. auch erfolgen, indem ein Anfangsbezugswert für den Winkel λ in die Steuereinrichtung des Mikrocomputers eingegeben wird.

Claims (13)

1. Verfahren zum gegenseitigen Positionieren eines ersten Objekts und eines zweiten Objekts mit Hilfe einer Lagerregelung in einem Magnetfeld, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - mittels einer mit dem ersten Objekt (1) unmittelbar verbundenen Magnet­ feldquelle (2) ein zu einer ersten Mittelachse (O _M ) der Magnetfeldquelle symmetri­ sches Magnetfeld erzeugt wird,
• - mittels magnetischer Abgleichsermittlungssensoren (4), die an dem zweiten Objekt (3) angeordnet sind, mindestens drei Punkte des von der Ma­ gnetfeldquelle (2) erzeugten Magnetfeldes erfaßt werden, die auf einer Kreisbahn um eine zweite Mittelachse (O _C ) der magnetischen Abgleichsermitt­ lungssensoren (4) in einer zu dieser Mittelachse (O _C ) senkrechten er­ sten Ebene (A) liegen, das von der Magnetfeldquelle (2) erzeugte Magnetfeld von mindestens einem gleichfalls an dem zweiten Objekt (3) an­ geordneten magnetischen Abtastsensor (5) abgetastet wird, wobei die Abtastung entlang einer Kreisbahn um die zweite Mittelachse (O _C ) der magnetischen Abgleichsermittlungssen­ soren (4) in einer zu dieser Mittelachse senkrechten, von der ersten Ebene (A) entlang der zweiten Mittelachse (O _C ) in Abstand liegenden zweiten Ebene (B) erfolgt,
• - der magnetische Abtastsen­ sor (5) aktiviert wird, sobald im Verlauf der Relativbewegung des er­ sten und des zweiten Objekts (1, 3) alle Ausgangssignale der Abgleichs­ ermittlungssensoren (4) miteinander übereinstimmen oder die Ausgangs­ signale der Abgleichsermittlungssensoren (4) an bestimmten Erfassungs­ punkten miteinander übereinstimmen, und
• - die Relativbewegung des ersten und des zweiten Objekts (1, 3) aufgrund der Funktion der Ausgangssignale des magnetischen Abtastsensors (5) gestoppt wird, wenn während der kreisförmigen Abtastung des magnetischen Abtastsensors (5) eine vorbestimmte Bezie­ hung zwischen den Ausgangssignalen des magnetischen Abtastsensors (5) entsprechend einer Sollpositionsbeziehung des ersten und des zweiten Objekts auftritt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch

• a) eine mit dem ersten Objekt (1) verbundene Magnetfeldquelle (2) zum Erzeugen eines zu der ersten Mittelachse (O _M ) der Magnetfeldquelle (2) symmetrischen Magnetfeldes;
• b) an dem zweiten Objekt (3) angeordnete magnetische Abgleichsermitt­ lungssensoren (4), die auf einer Kreis­ bahn um die zweite Mittelachse (O _C ) der magnetischen Abgleichsermittlungs­ sensoren (4) in einer zu dieser zweiten Mittelachse (O _C ) senkrechten ersten Ebene (A) liegen;
• c) mindestens einen an dem zweiten Objekt (3) angeordneten magnetischen Abtast­ sensor (5), der entlang einer Kreisbahn um die zweite Mittelachse (O _C ) der magnetischen Abgleichsermitt­ lungssensoren in einer zweiten Ebene (B) angeordnet ist, die senkrecht zu der zweiten Mittelachse (O _C ) steht und von der ersten Ebene (A) ent­ lang der zweiten Mittelachse (O _C ) in Abstand liegt;
• d) eine Übereinstimmungs-Auswerteeinrichtung (6) zum Ermitteln, ob die Ausgangssignale der magnetischen Abgleichsermittlungssensoren (4) miteinander überein­ stimmen;
• e) eine Aktivierungseinrichtung (7) zum Aktivieren des magnetischen Ab­ tastsensors (5);
• f) eine mit dem Ausgangssignal des magnetischen Abtastsensors (5) beauf­ schlagte Positionsdetektoreinrichtung (8) zum Ermitteln der relativen Positionsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt (1, 3) anhand der von dem magnetischen Abtastsensor (5) erfaßten räumlichen Verteilungsinformation des Magnetfeldes; und
• g) eine Verstelleinrichtung (10) zum gegenseitigen Bewegen des ersten und des zweiten Objekts (1, 3) in beliebige Positionen innerhalb eines drei­ dimensionalen Raumes in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Auswerteeinrichtung (6) und der Positionsdetektoreinrichtung (8).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

• - eine Anzeigeeinrichtung (11) zum Anzeigen der Positionsbeziehung zwi­ schen dem ersten und dem zweiten Objekt (1, 3) aufgrund der Ausgangs­ signale der Auswerteeinrichtung (6) und der Positionsdetektoreinrichtung (8), und
• - eine Betätigungseinheit (13) zum Betätigen der Verstelleinrichtung (10) in Abhängigkeit von der Anzeige der Anzeigeeinrichtung (11).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine mit dem Ausgangs­ signal der Positionsdetektoreinrichtung (8) beaufschlagte Regeleinrichtung (9) zum Vergleichen der von der Positionsdetektoreinrichtung ermittelten Po­ sitionsinformation mit einer Information für die Sollposition des zweiten Ob­ jekts (3) und zum Errechnen einer dem Ansteuern der Verstelleinrichtung (10) dienenden Stellgröße anhand dieses Vergleiches.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste als auch das zweite Objekt (1, 3) aus nichtmagnetischen Werkstoffen bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Abgleichsermittlungssensoren (4) mindestens drei ma­ gnetische Sensoren (41, 42, 43) aufweisen, die in gleichen Abständen von der zweiten Mittelachse (O _C ) derart angeordnet sind, daß die Empfindlichkeitsachsen der magnetischen Sensoren die zweite Mittelachse (O _C ) an einer endlichen Stelle schneiden oder parallel zu der zweiten Mit­ telachse (O _C ) verlaufen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Abgleichsermittlungssensoren (4) einen magnetischen Sensor aufweisen, der in einer Kreisbahn äquidistant zu der zweiten Mittelachse (O _C ) angeordnet ist und dessen Empfindlichkeitsachse die zweite Mittelachse (O _C ) schneidet oder parallel zu dieser ver­ läuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Abgleichsermittlungssensoren (4) vier magnetische Sensoren (41, 42, 43, 44) aufweisen, die in 90°-Abständen um die zweite Mittel­ achse (O _C ) herum angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetische Sensoren (4, 5) Fluxgate-Sensoren, Hallsensoren oder Magnetmodulationssensoren vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeldquelle (2) ein zylindrischer Dauer- oder Elektromagnet vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abtastsensor (5) vor den magnetischen Abgleichser­ mittlungssensoren (4) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Magnetfeldquelle (2) erzeugte räumliche Magnetfeldverteilung in Form von Gleichungen oder Tabellenwerten in einem Fest­ speicher der Regeleinrichtung (9) gespeichert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Positionieren eines Röntgenstrahlgenerators einer Röntgenaufnahme­ einrichtung die magnetischen Abgleichsermittlungssensoren (4) und der ma­ gnetische Abtastsensor (5) zum Abtasten in einer vorbestimmten Kreisbahn auf dem Röntgenstrahlgenerator und die Magnetfeldquelle (2) auf einem Röntgenfilm angeordnet sind.