DE4038674A1 - Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteils - Google Patents
Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteilsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemaß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Herkömmliche gattungsgemaße Vorrichtungen beruhen auf dem Prinzip, bei Bewegung
des Bauteils entlang der vorbestimmten Wegstrecke, die von einer Start- bzw.
Bezugsposition aus durchlaufenden Wegstreckeneinheiten zu addieren. Nachteilig ist an
diesen Vorrichtungen, daß sie es erforderlich machen, das bewegbare Bauteil z. B. nach
Unterbrechung des die Bewegung steuernden Programms durch Stromabschaltung
zunächst in die Startposition bringen zu müssen, bevor es von seiner letzten Ist-Position
aus weiterbewegt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des
Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, die es erlaubt, die Ist-Position des Bauteils
auch nach Stromabschaltung oder Programmunterbrechung absolut und direkt
bestimmen zu können, ohne vorher eine Startposition anfahren zu müssen.
Die Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen
beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines absoluten Linearmeßsystems;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Träger und die das Geberteil für die Feinauflösung
bildende Zahnstange;
Fig. 3 eine Brückenschaltung, in der sich zwei einen Magnetflußsensor bildende
Feldplatten befinden;
Fig. 4 den Verlauf des elektrischen Widerstandes, der in Fig. 2 gezeigten
Feldplatten bei Bewegung des Trägers über die Zahnstange;
Fig. 5 bis 7 eine erste Ausführungsform für ein rotatorisches Absolutmeßsystem;
Fig. 8 eine zweite Ausführungsform für ein rotatorisches Absolutmeßsystem.
Das in Fig. 1 gezeigte absolute Linearmeßsystem zeigt einen Träger 3, der mit einem
nicht dargestellten Bauteil verbunden und in Meßrichtung x entlang einer
vorbestimmten Wegstrecke verschiebbar ist. Der Träger 3 befindet sich über einer fest
angeordneten Schiene 1 und einer fest angeordneten Zahnstange 2.
Die Schiene 1 besteht aus magnetisch gut leitendem Material und bildet mit der
Bewegungsrichtung x des Trägers 3 einen spitzen Winkel. Sie hat die Funktion eines
Geberteiles für die Grobauflosung.
Diese Zahnstange 2 besteht ebenfalls aus magnetisch gut leitendem Material und
erstreckt sich parallel zur Verschieberichtung x des Trägers 3. Ihre Zähne 8 weisen
nach oben. Die Zahnstange 2 hat die Funktion eines Geberteiles für die Feinauflösung.
An der Unterseite des Trägers 3 befinden sich Feldplatten 4, 5 und 6, 7. Die Feldplatten
4, 5 sind in Verschieberichtung x nebeneinander angeordnet und haben einen
Mittenabstand, der etwa gleich der Breite der Schiene 1 ist. Die Feldplatte 4 befindet
sich etwa über der einen Seitenkante der Schiene 1, während die Feldplatte 5 sich etwa
über der anderen Seitenkante der Schiene 1 befindet. Die beiden Feldplatten 4, 5 bilden
Magnetflußsensoren für die Grobauflösung.
Die Feldplatten 6, 7 sind in Verschieberichtung x hintereinander angeordnet und haben
einen Abstand, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen des halben Zahnabstandes der
Zahnstange 2 ist. Sie bilden Magnetflußsensoren für die Feinauflösung. Jede der
Feldplatten 4 bis 7 ist mit einer Auswerteschaltung 9 verbunden, die die Ist-Position des
Trägers 3 bzw. des mit diesem verbundenen Bauteils in Verschieberichtung x ausgibt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Zahnstange 2 und den Träger 3 mit den beiden
Feldplatten 6, 7 für die Feinauflösung. Über jeder der beiden Feldplatten 6, 7 ist ein
Permanentmagnet 10, 11 angeordnet. Der Träger 3 wirkt hier als Joch, und der von den
Permanentmagneten 10, 11 erzeugte Magnetfluß fließt durch den Träger 3 die
Feldplatten 6, 7 und die Zahnstange 2. Der magnetische Widerstand des geschlossenen
Magnetfluß-Kreises hängt vom Abstand zwischen den Feldplatten und der Zahnstange 2
ab, der sich infolge der Zähnung bei Bewegung des Trägers 3 in Verschieberichtung x
ändert. Die Feldplatten haben die Eigenschaft, daß sich ihr elektrischer Widerstand von
dem sie durchflutenden Magnetfluß abhängt. Dementsprechend ist der elektrische
Widerstand der Feldplatten 6, 7 eine Funktion der Position des Trägers 3 in
Verschieberichtung x über der fest angeordneten Zahnstange 2. Infolge des oben
genannten Abstandes der Feldplatten 6, 7, ist die Änderungstendenz des elektrischen
Widerstandes der Feldplatten 6, 7 bei Bewegung des Trägers 3 in Versehieberichtung x
gegenläufig. Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes R von der
Verschieberichtung x ist in Fig. 4 gezeigt. Der Verlauf des elektrischen Widerstandes
der Feldplatte 6 und der Verlauf des elektrischen Widerstandes R7 ist entsprechend
der Zahnung 8 der Zahnstange 2 sägezahnförmig, wobei R6 und R7 - wie erwähnt -
eine gegenläufige Tendenz haben. Die gegenläufige Tendenz des elektrischen
Widerstandes der Feldplatten 6, 7 wird durch Anordnung der Feldplatten in einer
Brückenschaltung gemäß Fig. 3 verstärkt, in der die Feldplatten mit zwei normalen
Widerständen R1 und R2 zusammengeschaltet sind. Die Ausgangsspannung Vout der
Brückenschaltung ist in Analogie zu dem Widerstandsverlauf in Fig. 4 in Abhängigkeit
von der Verschieberichtung x des Trägers 3 ebenfalls sägezahnförmig. Die
Brückenschaltung gemaß Fig. 3 hat noch den Vorteil, daß die starke
Temperaturabhängigkeit der Feldplatten 6, 7 hier kompensiert wird, da die Tendenz des
elektrischen Widerstandes bei sich ändernder Temperatur bei beiden Feldplatten gleich
ist.
Über den in Fig. 1 gezeigten Feldplatten 4, 5 für die Grobauflosung sind ebenfalls -
wie in Fig. 2 gezeigt - nicht dargestellte Permanentmagnete angeordnet. Durch die
Schräganordnung der Schiene 1 in Bezug auf die Verschieberichtung x des Trägers 3
ändert sich der elektrische Widerstand der Feldplatten 4, 5 ebenfalls gegensinnig.
Dementsprechend können die Feldplatten 4, 5 in gleicher Weise wie die Feldplatten 6, 7
in einer Brückenschaltung mit den beschriebenen Vorteilen angeordnet werden.
Man erkennt, daß sich bei Verschiebung des Trägers 3 in Verschieberichtung x der
elektrische Widerstand der Feldplatten 4, 5 für die Grobauflösung relativ wenig ändert
und daß für jede Ist-Position ein bestimmter elektrischer Widerstand der Feldplatten 4
und 5 definiert sein muß. Dies erlaubt es, daß die Feldplatten 6, 7 für die Feinauflösung
bei Verschiebung des Trägers in Verschieberichtung x sich wiederholende Widerstands-
Zustände annehmen können. Wegen der eindeutigen Abhängigkeit des elektrischen
Widerstandes der Feldplatten 4, 5 von der Ist-Position kann das von den Feldplatten 6, 7
erzeugte Ausgangssignal der Brückenschaltung für die Feinauflösung der Ist-Position
ausgewertet werden.
Es ist selbstverständlich, daß die Meßstrecke, die der Träger 3 bzw. ein damit
verbundenes Bauteil entlang der Verschieberichtung x durchlaufen kann, begrenzt sein
muß. Die Grenzen ergeben sich durch die Lage der Feldplatten 4, 5 in Bezug auf die
Schiene 1. Es muß gewährleistet sein, daß beide Feldplatten 4, 5 bei Verschiebung des
Trägers 3 noch auf die Bewegung ansprechen.
Bei dem in den Fig. 5 bis 7 beschriebenen rotatorischen Absolutmeßsystem soll die
Winkel-Ist-Position (eines nicht dargestellten Bauteiles) ermittelt werden. Das Bauteil
wird dazu mit einer Drehwelle 112 verbunden. Auf der Drehwelle 112 befinden sich
eine Exzenterscheibe 101 sowie ein Zahnrad 102, die beide mit der Drehwelle 112
mitgedreht werden. Die Exzenterscheibe 101 besteht aus magnetisch gut leitdendem
Material und hat die Funktion eines Geberteiles für die Grobauflösung. Das Zahnrad
102 besteht ebenfalls aus magnetisch gut leitendem Material und hat die Funktion eines
Geberteiles für die Feinauflösung. Die Exzenterscheibe 101 und das Zahnrad 102 sind
in Fig. 5 in Stirnansicht gezeigt.
Fig. 6 zeigt die Exzenterscheibe 101 in Seitenansicht. Nächst der Peripherie der
Exzenterscheibe 101 sind zwei Träger 117, 118 angeordnet, die aus magnetisch gut
leitendem Material bestehen und magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Die
beiden Träger 117, 118 sind um etwa 90° gegeneinander versetzt. Der Träger 117 weist
an seiner Stirnseite eine Feldplatte 105 sowie dahinter einen Permanentmagneten 114
auf. Der Träger 118 weist an seiner Stirnseite eine Feldplatte 104 sowie dahinter einen
Permanentmagneten 113 auf. Der von den Permanentmagneten 113, 114 erzeugte
Magnetfluß durchflutet die Feldplatten 104, 105, die Exzenterscheibe 101 und verläuft
durch die magnetisch leitende Verbindung zwischen den Trägern 117, 118. Bei Drehung
der Exzenterscheibe 101 mit der Drehwelle 112 verändert sich der Abstand zwischen
jeder der beiden Feldplatten 104, 105 und der Exzenterscheibe. Dadurch ist der
elektrische Widerstand der beiden Feldplatten 104, 105 ein eindeutiges Maß für den
Drehwinkel der Exzenterscheibe 101. In Analogie zu der Schiene 1 und den Feldplatten
4, 5 in Fig. 1 wird so eine Grobauflösung für den Drehwinkel erzielt. Die Auswertung
erfolgt in gleicher Weise, wie dies in Zusammenhang mit dem absoluten
Linearmeßsystem beschrieben wurde.
Das Zahnrad 102 ist in Fig. 7 in Seitenansicht gezeigt. Nächst der Peripherie des
Zahnrades 102, welches mit der Drehwelle 112 mitdrehbar ist, sind wiederum zwei
Träger 115, 116 winkelversetzt angeordnet. Die beiden Träger bestehen aus magnetisch
gut leitendem Material und sind magnetisch leitend miteinander verbunden (nicht
gezeigt). Der Träger 115 weist eine Feldplatte 106 sowie einen dahinter angeordneten
Permanentmagneten 110 auf. Der Träger 116 weist eine Feldplatte 107 sowie einen
dahinter angeordneten Permanentmagneten 111 auf. Durch die Zahnung 108 des
Zahnrades 102 wird derselbe Effekt bewirkt, wie er bereits in Verbindung mit Fig. 2
und dem absoluten Linearmeßsystem beschrieben wurde. Das bedeutet, daß mit dem
Zahnrad 102 eine Feinauflösung für die Winkel-Ist-Position ermittelt werden kann.
Es ist erkennbar,daß auch für das in den Fig. 5 bis 7 rotatorische Absolutmeßsystem
Grenzen für den meßbaren Drehwinkel vorgegeben sind, und zwar durch die
Eindeutigkeit des Meßergebnisses für die Grobauflösung gemäß Fig. 6. Die Messung
kann dabei innerhalb des Winkelbereiches von 360° erfolgen.
Die in Fig. 8 gezeigte zweite Ausführungsform für ein rotatorisches
Absolutmeßsystem unterscheidet sich von der in den Fig. 5 bis 7 gezeigten ersten
Ausführungsform lediglich dadurch, daß die Exzenterscheibe hier durch ein auf die
Drehwelle 212 aufgebrachtes Gewinde 201 ersetzt ist. Die Funktion des Zahnrades 202
ist die gleiche wie diejenige des Zahnrades 102 in Fig. 5, so daß auf eine weitere
Erläuterung verzichtet werden kann.
Das Gewinde 201 ist wiederum aus magnetisch gut leitendem Material. Neben dem
Gewinde sind zwei Träger 217, 218 aus magnetisch gut leitendem Material angeordnet,
die magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Die beiden Träger 217, 218 sind in
Achsrichtung der Drehwelle 212 hintereinander liegend angeordnet. Der Träger 217
weist eine gegen das Gewinde 201 gerichtete Feldplatte 205 sowie einen dahinter
angeordneten Permanentmagneten 214 auf. Der Träger 218 weist eine gegen das
Gewinde 201 gerichtete Feldplatte 204 sowie einen dahinter angeordneten
Permanentmagneten 213 auf. Bei Drehung der Drehwelle 212 verschieben sich die
Zähne des Gewindes 201 in Bezug auf die Feldplatten 204 und 205 mit der Folge, daß
sich - wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben - der elektrische
Widerstand der Feldplatten 204, 205 innerhalb eines Winkelbereiches von 360°
eindeutig ändert, so daß diese Kombination für die Grobauflösung des Drehwinkels
geeignet ist. Der Abstand der Träger 217, 218 ist in Analogie zur Fig. 2 gleich einem
ganzzahligen Vielfachen des halben Zahnabstandes des Gewindes 201.
Claims (14)
1. Vorrichtung zum Bestimmen der absoluten Ist-Position eines entlang einer
vorbestimmten Wegstrecke bewegbaren Bauteils,
gekennzeichnet durch
mindestens ein Geberteil (1, 2; 101, 102; 201, 202) aus magnetisch gut leitendem Material,
mindestens einen Magnetflußsensor (4-7; 104-107; 204-207), der ein dem gemessenen
Magnetfluß entsprechendes Ausgangssignal an eine Auswerteschaltung (9) liefert, und
mindestens eine Magnetflußquelle (10, 11; 110-114; 213, 214), deren Fluß zumindest
teilweise durch das Geberteil und den Magnetflußsensor geführt ist, wobei das Geberteil
und/oder der Magnetflußsensor derart mit dem Bauteil verbunden sind, daß das
Geberteil und der Magnetflußsensor bei Bewegung des Bauteiles relativ zueinander
bewegt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Magnetflußsensoren (4-7; 104-107; 204-207) und mindestens zwei
Geberteile (1, 2; 101, 102; 201, 202) verwendet sind, wobei je einem Magnetflußsensor je
ein Geberteil zugeordnet ist, und daß die eine Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination
zur Grobauflösung und die andere zur Feinauflösung der absoluten Ist-Position dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination für die Grobauflösung und/oder die
Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination für die Feinauflösung jeweils zwei
Magnetflußsensoren (4-7; 104-107; 204-207) enthält, und daß diese beiden
Magnetflußsensoren und/oder das zugeordnete Geberteil (1, 2; 101, 102; 201, 202) so in
Bezug zueinander angeordnet und/oder, gestaltet und/oder geführt sind, daß bei der
Relativbewegung von den beiden Magnetflußsensoren Ausgangssignale mit einer
gegensinnigen Tendenz erzeugt werden.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der bzw. jeder Magnetflußsensor (4-7; 104-107; 204-207) von einer in einem
Auswertestromkreis befindlichen Feldplatte gebildet ist, deren elektrischer Widerstand
von dem die Feldplatte durchflutenden Magnetfluß abhängt, und daß der
Auswertestromkreis Teil der Auswerteschaltung (9) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der dem Geberteil (1, 2; 101, 102; 201, 202) abgewandten Seite jeder Feldplatte ein
die Magnetflußquelle (10, 11; 110-114; 213, 214) bildender Permanentmagnet angeordnet
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Feldplatten, welche die zwei Magnetflußsensoren (4-7; 104-107; 204-
207) der Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination bilden, in einer den
Auswertestromkreis bildenden Brückenschaltung angeordnet sind. (Fig. 3)
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für ein absolutes Linearmeßsystem die Magnetflußsensoren (4, 5) für die
Grobauflösung und die Magnetflußsensoren (6, 7) für die Feinauflösung an einem
gemeinsamen Träger (3) aus magnetisch gut leitendem Material angeordnet sind, der mit
dem Bauteil linear verschiebbar ist, daß das Geberteil (1) für die Grobauflösung von
einer schräg zur Bewegungsrichtung (x) des Trägers (3) ausgerichteten feststehenden
Schiene gebildet ist, und daß das Geberteil (2) für die Feinauflösung von einer sich
parallel zur Bewegungsrichtung (x) des Trägers (3) erstreckenden Zahnstange gebildet
ist, deren Zähne (8) gegen den Magnetflußsensor bzw. die Magnetflußsensoren für die
Feinauflösung gerichtet sind. (Fig. 1 und 2)
8. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Magnetflußsensoren (4, 5) für die Grobauflösung - quer zur
Bewegungsrichtung (x) des Trägers (3) gesehen - nebeneinander an diesem mit einem
etwa der Schienenbreite entsprechenden Mittenabstand angeordnet sind, derart, daß der
eine Magnetflußsensor (4) im Bereich der einen Schienenseitenkante und der andere
Magnetflußsensor (5) im Bereich der anderen Schienenseitenkante liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Magnetflußsensoren (6, 7) für die Feinauflösung - in Bewegungsrichtung
(x) des Trägers (3) gesehen - mit einem Abstand hintereinander angeordnet sind, der
gleich einem halben Zahnabstand oder einem ganzzahligen Vielfachen davon ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für ein rotatorisches Absolutmeßsystem das zu drehende Bauteil mit einer
Drehwelle (12) gekoppelt ist, daß das Geberteil (101) für die Grobauflösung von einer
auf der Drehwelle sitzenden Exzenterscheibe gebildet ist, daß das Geberteil (102) für die
Feinauflösung von einem auf der Drehwelle sitzenden Zahnrad gebildet ist, und daß die
Magnetflußsensoren (104-107) in Umfangsnähe der Exzenterscheibe bzw. des
Zahnrades fest angeordnet sind. (Fig. 5-7)
12. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden der Exzenterscheibe (101) zugeordneten Magnetflußsensoren (104, 105)
in Bezug auf die Drehwelle (112) um 90° versetzt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden dem Zahnrad (102) zugeordneten Magnetflußsensoren (106, 107) in
Bezug auf die Drehwelle (112) um einen Winkel versetzt sind, der gleich einem halben
Zahnabstand oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für ein rotatorisches Absolutmeßsystem das zu drehende Bauteil mit einer
Drehwelle (212) verbunden ist, daß das Geberteil (201) für die Grobauflösung von
einem mit der Drehwelle verbundenen oder auf diese aufgebrachtem Gewinde gebildet
ist, daß das Geberteil (202) für die Feinauflösung von einem auf der Drehwelle
sitzenden Zahnrad gebildet ist, und daß die Magnetflußsensoren (204, 205) in
Umfangsnähe des Gewindes bzw. des Zahnrades fest angeordnet sind. (Fig. 8)
15. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Magnetflußsensoren (204, 205) - in Längsrichtung der Drehwelle (212)
gesehen - hintereinanderliegend nächst dem Gewinde (201) mit einem Abstand
zueinander angeordnet sind, der gleich einem halben Gewindezahn-Abstand oder einem
ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden dem Zahnrad zugeordneten Magnetflußsensoren in Bezug auf die
Drehwelle (212) um einen Winkel versetzt sind, der gleich einem halben Zahnabstand
oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| DE4038674A DE4038674A1 (de) | 1990-12-04 | 1990-12-04 | Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteils |
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| EP91915074A EP0513251A1 (de) | 1990-12-04 | 1991-09-05 | Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteils |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE4038674A DE4038674A1 (de) | 1990-12-04 | 1990-12-04 | Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteils |
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ID=6419572
Family Applications (1)
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| DE4038674A Withdrawn DE4038674A1 (de) | 1990-12-04 | 1990-12-04 | Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteils |
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