DE4136888A1 - Absolutwertgeber zur winkel- und streckenmessung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Für Winkel- und Streckenmessung und den damit verknüpften Regel- und Stellaufgaben werden heute in zunehmendem Maße digital arbeitende Meßsysteme eingesetzt.

Inkremental arbeitende Geber können relativ einfach aufgebaut werden, geben jedoch nur Informationen über verfahrene Wegstrecken oder Winkel und den dazugehörenden Geschwindigkeiten aus. Zur Positionsbestimmung wird dem nachgeschalteten System zu Arbeitsbeginn ein Anfangswert, z. B. durch Anfahren einer Nullposition, mitgeteilt. Bei Stromausfall gehen die Anfangsdaten verloren und müssen bei Wiedereinschalten neu ermittelt werden.

Absolutwertgeber weisen diesen Nachteil nicht auf, sind aber nur mit wesentlich größerem technischen Aufwand realisierbar.

Geber, welche mit einem Parallelcode arbeiten, benötigen für eine Auflösung von 2ⁿ auch n Meßspuren und mindestens n Abtastelemente, was diese Geräte kompliziert und teuer macht. Die Probleme, welche sich bei der Herstellung und Justierung ergeben, insbesondere, wenn es sich um größere Ablesebereiche 250-65 000; entspr. 8-16 bit) handelt, sowie verschiedene Möglichkeiten, um diese zu überwinden, werden ausführlich in dem Buch: Walcher, Winkel- und Wegmessung im Maschinenbau, VDI 1985, auf Seite 95-123 geschildert.

Ein Verfahren mit einem codierten Absolutmaßstab und mit nur einer Codespur wird in der Offenlegungsschrift DE 34 27 067 A1, beschrieben. Die Codespur ist dabei so aufgebaut, daß jedem Teilstrich eine Ziffer in Form eines Strichcodes hinzugefügt ist.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Absolutwertgeber mit nur einer oder zwei Meßspuren, welche so codiert sind, daß mit zwei oder mehr Abtastern, z. B. Fotodioden, eine hohe Auflösung im genannten Bereich erzielt wird.

Ihre Merkmale sind in den Ansprüchen 1-8 beschrieben.

In Fig. 1 ist 1 eine 5 bit Codespur, wie sie in Anspruch 1 gefordert wird. 2 zeigt die Länge eines Teilungselements und 3 die Länge eines Codeabschnitts für eine Ablesung. 4 zeigt diesen Abschnitt ganz links, wo er die Digitalzahl 10001=17 umfaßt. In 5 ist der Abschnitt um ein Element nach rechts gewandert, die neue Ablesung ist 00011=3, in 6 und den drei weiteren nicht dargestellten Positionen werden die Zahlen 00110=5, 01100=12, 11001=25 und 10010=18. In den Abschnitten 7 und 8 ergeben sich die Zahlen 11010=26 und 10101=21.

Den Positionen 4, 5, 6 und den drei weiteren nicht dargestellten sind die Positionswerte 11, 12, 13, 14, 15 und 16 zugeordnet, den Codepositionen 7 und 8 die Werte 24 und 25. Die Ablesezahlen erscheinen völlig willkürlich, ihre Entstehung bei der Fortbewegung des Abtastbereiches ist aber evident. Es gibt keine Wiederholung der 32 in dem 5 bit Code möglichen Zahlen. Dies trifft auch für Codierungen mit n bit (z. B. 12 bit) zu. In Fig. 1 wurde ein 5 bit Code nur der Anschaulichkeit halber gewählt.

In Fig. 2 ist 1 wieder die gleiche Codespur, wie in Fig. 1. 9 stellt einen Abtaster für ein Teilungselement dar. Wenn dieser über mehrere Teilungselemente mit gleicher Wertigkeit (z. B. hell oder dunkel) geführt wird, so gibt es keinen Anhalt mehr, welche Stelle der n bit Zahl oder wieviele Stellen abgetastet werden. Deshalb ist eine zweite, gleichmäßig geteilte Spur 11 als Taktspur beigefügt, die von dem Abtaster 10 gelesen wird. Die von dem Abtaster 10 gelieferten Taktimpulse werden im einfachsten Fall dazu verwendet, die jeweilige Codeinformation vom Abtaster 9 in ein n bit Schieberegister seriell einzulesen. Mit den Signalen an den Parallelausgängen des Registers ist dann das Abfragen einer in einem Speichermedium abgelegten Tabelle möglich, wodurch eine Umsetzung der der jeweiligen Ableseposition entsprechenden Codewertigkeit in einen maschinenlesbaren Code (Graycode, Binärcode o. ä.) erfolgt. Voraussetzung dafür ist, daß nach dem Einschalten eine Verschiebung der Codierung gegenüber der Abtastung um max. n Elemente (ein Codeelement 3) in einer Richtung erfolgt. Bei einem Winkelwertgeber mit einer 8 bit Codierung entspräche dies einem Winkel < 1,5°. Die Bewegungsrichtung muß bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung beibehalten werden.

Die Anordnung in Fig. 3 vermeidet diesen Nachteil. Zu den in Fig. 2 verwendeten Komponenten sind hier noch die Abtaster 12 und 13 hinzugefügt. 13 ist gegenüber 10 um 90° phasenversetzt angeordnet. Dies dient der Gewinnung des Bewegungsrichtungssignals.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild für eine einfache Elektronik zur Anordnung in Fig. 3. In 15 werden aus den von den Abtastern 10 und 13 kommenden, um 90° zueinander verschobenen Taktsignalen das Bewegungsrichtungssignal 18 und das Schiebetaktsignal 19 für das Schieberegister 16 gewonnen. Je nach Bewegungsrichtung werden die vom Abtaster 9 oder 12 kommenden Codesignale 20 oder 21 in das Schieberegister 16 übernommen und dort in entsprechender Richtung verschoben. 23 stellt dann den n bit breiten, jeweils aktuellen Wert des entsprechenden Codeabschnittes dar. Diese Signale dienen zur Abfrage einer in einem Speichermedium 17 abgelegten Tabelle, um einen maschinenlesbaren Code 22 (Graycode, Binärcode o. ä.) zu erhalten.

Fig. 5 zeigt die Codespur 1 stark vergrößert dargestellt. Die zweite Spur 24 ist um den Faktor 2a (in diesem Beispiel um den Faktor 8) feiner geteilt, was durch den Vergleich mit der Einzelelementlänge 2 erkennbar ist. Durch die Verwendung der Spur 24 als Taktspur erreicht man eine Auflösung von 2^(a+n).

Fig. 6 stellt ein Blockschaltbild der Elektronik hierzu dar. Aus den durch die beiden Abtaster 10 und 13 gewonnenen, um 90° zueinander phasenversetzten Signale werden in 15 das Bewegungsrichtungssignal 18 und ein Taktsignal 19 erzeugt und diese den Vor-Rückwärtszähler 25 zugeführt. Dieser gibt nach 2a Takten einen Schiebetakt 26 an das Schieberegister 16. Zusammen mit dem Bewegungsrichtungssignal 18 wird immer nach 2a Takten der Spur 24 entsprechend der Bewegungsrichtung durch die Abtaster 9 bzw. 12 die Wertigkeit eines Elementes der Codespur 1 in das Schieberegister 16 übernommen und in bei Fig. 3 beschriebenen Weise als binär codierter Wert 22 aus dem Speichermedium 17 ausgegeben. Fügt man zu der Ausgangsinformation 22 mit n bit die von den Ausgängen des Zählers 25 stammenden Daten 27 hinzu, erhält man einen n + a bit breiten Ausgangswert mit einer Auflösung von 2^(a+n). Bekannt ist, daß aus zwei um 90° zueinander phasenverschobenen Signalen die vierfache Frequenz abgeleitet werden kann. Dies bedeutet, daß aus den von den Abtastern 10 und 13 kommenden Signalen ein Taktsignal mit der vierfachen Frequenz erzeugt werden kann und dann die Auflösung 2^(2+a+n) wird. Nachteilig bei der in Fig .6 dargestellten Anordnung ist, daß der Zähler 25 nach dem Einschalten durch Anfahren einer Nullposition rückgesetzt werden muß.

Diesen Nachteil vermeidet eine Ausführung nach Anspruch 5, wie in Fig. 7 dargestellt. Hier ist auch die zweite Spur, bisher die Taktspur, invers zur ersten codiert. Nur als Negativ zur Spur 1 in Fig. 1 bliebe die Information über die Anzahl von Elementen in einem eine "1" oder eine "0" darstellenden Bereich verloren. Deshalb sind die "1"- Bereiche der Spur 28 und die "0"-Bereiche der Spur 29, bezogen auf die Codespur 1 in Fig. 1, von der Taktfrequenz überlagert. Damit sind die Pegel "1" und "0" des Codesignals dadurch definiert, von welcher Spur die Taktsignale gelesen werden. Die Summe der beiden Signale von 28 und 29 ergibt die Taktfrequenz für die Feinablesung.

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild für die benötigte Elektronik. Die von den Codespuren 28 und 29 durch die Abtaster 30 und 31 gewonnenen Signale werden einem Detektor 35 zugeführt. Dieser erkennt, von welcher der beiden Spuren ein Signal geliefert wird. Stammt das Signal von der Spur 28, wird die Eingangsleitung 20 des Schieberegisters 16 auf "1" gesetzt und bleibt auf diesem Pegel, bis ein Signal von der Spur 29 an den Detektor 35 gelangt. Bei umgekehrter Bewegungsrichtung werden die Signale 38 und 39 von den Spuren 28 und 29 durch die Abtaster 33 und 34 gewonnen, dem Detektor 41, welcher die gleiche Funktion wie 35 hat, zugeführt und von dort als Codeinformation 21 dem Schieberegister 16 zugeleitet. Die Taktaufbereitung erfolgt in 42. Aus den Signalen 36 und 37 wird durch Addition das Taktsignal und unter Ausnutzung des, von dem beide Spuren erfassenden Abtasters 32 stammenden und um 90° zum Taktsignal phasenverschobenen Signals 40 das Bewegungsrichtungssignal erzeugt. Die weitere Aufbereitung und Auswertung der Informationen ist identisch mit den bei Fig. 6 beschriebenen. Bei jeder Pegeländerung der Signale 20 und 21 geben die Detektoren 35 und 41 einen Impuls 43 als Rücksetzsignal an den Zähler 25. Dadurch ist gewährleistet, daß spätestens nach Durchfahren von n Elementen an 27 der richtige Wert für die Feinteilung in Bezug zur Codierung ausgegeben wird.

Eine andere Ausführung der Erfindung kommt mit nur einer Spur, wie 1 in Fig. 1, d. h. ohne Taktgewinnung durch Verwendung einer zweiten Spur, aus. Dafür benötigt sie 2a * n Abtastzellen. Mit a = 0 und n Zellen wären dazu normale Arrays zu verwenden. Die Zellen können aber auch in Abständen voneinander angebracht werden - nicht mehr direkt hintereinander, wie in Anspruch 1 -, was eine entsprechend abgeänderte Herstellung des Codes erfordert. Für eine Auflösung von z. B. 4096 (n = 12) sind dann ebenso viele Teilelemente zu codieren, was die Herstellung der Codierung sehr verteuert. Mit einer Feinablesung von a = 3 bit würde der Code für die restlichen 9 bit mit 512 Teilelementen zwar erheblich verbilligt. Dafür werden aber 2³ * 9 = 72 Abtaster benötigt. Dies ist wirtschaftlich mit CCD - Zeilen möglich, die ab 128 Zellen auf dem Markt sind. Mit dieser Anordnung ist der Absolutwert nach einer Unterbrechung auch im Stillstand sofort ablesbar. Die Feinteilung ist den festen Elementbereichen auf dem Array zugeordnet. Ihr Ablesewert kann ebenfalls sofort wiedergewonnen werden. Das Fehlen einer 90°-Information beschränkt die Auflösung auf 2^(a+n). Da die elektronische Ablesung des Arrays immer in der gleichen Richtung erfolgt, braucht die Bewegungsrichtung dafür nicht bekannt zu sein. Sie kann, wenn notwendig, aus zwei nacheinander ausgelesenen Werten bestimmt werden.

Das hier beschriebene Verfahren, bei dem sogar auf den Einsatz eines Rechners verzichtet werden kann, hat gegenüber der Ausführung in der zitierten Offenlegungsschrift DE 34 27 067 A1 den Vorteil einer wesentlich groberen, also leichter herstellbaren Codeteilung und eines einfacheren Ableseverfahrens, welches nicht zwischen zwei Moden laufend hin- und herschalten muß.

Für die Ansprüche 1-7 können optische, magnetostatische, kapazitive, induktive sowie resistive Abtastverfahren angewandt werden.

Claims (8)

1. Absolutwertgeber zur Winkel- und Streckenmessung mit nur einer oder zwei Meßspuren und zwei oder mehr Abtastelementen mit einer Codierung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß n aufeinander folgende Elemente der Spur, die "0" oder "1" darstellen können, eine n-bit-Zahl bilden und bei jeder Weiterbewegung um ein Teilelement sich durch Wegfall des ersten, Hinzukommen eines neuen letzten und Verschieben aller inneren bits um eine Stelle eine neue n-bit-Zahl bildet, daß jede solche Zahl im gesamten Meßbereich nur einmal vorkommt, und daß jede abgelesene Zahl durch Umrechnung oder Zuordnung in einem ROM-Speicher (EPROM) in den dazugehörenden Meßwert umgewandelt und ausgegeben wird.

2. Absolutwertgeber nach Anspruch 1, dessen erste Spur nach Anspruch 1 codiert ist und mit einem Abtaster (z. B. Fotozelle) gelesen wird, gekennzeichnet durch eine zweite, eine gleichmäßig geteilte Taktspur, die von einem weiteren Abtaster gelesen wird, und daß die von der ersten Spur abgelesenen Codebits seriell in ein Schieberegister gegeben werden, welches durch eine aus der Taktfrequenz abgeleiteten Frequenz weitergeschaltet wird und von dem parallel die n-bit-Ablesezahl entnommen wird.

3. Absolutwertgeber nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktspur mit zwei um 90° phasenversetzten Abtastern zur Gewinnung des Taktsignales und eines Bewegungsrichtungssignals versehen ist, und daß die Codespur mit einem zweiten Abtaster zum Lesen der Codesignale bei umgekehrter Bewegungsrichtung versehen ist, wobei diese Codesignale dem Schieberegister am Ende zugeführt und in umgekehrter Schieberichtung mit der aus der Taktfrequenz abgeleiteten Frequenz weitergeschaltet werden.

4. Absolutwertgeber nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Teilelement der Codespur 2a Perioden der Taktspur fallen, und ein Zähler, wenn a < 0 ist, immer bis 2a zählt und bei Erreichen dieses Zählerstandes diese Information als Schiebetakt an das Schieberegister gibt und den Zählwert jeweils im Augenblick der Ablesung mitgelesen und als a "Feinstellen" an den umcodierten Wert des Schieberegisters angehängt wird.

5. Absolutwertgeber nach Anspruch 2 bis 4, jedoch mit ebenfalls codierter Taktspur, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung der zweiten Spur dem invertierten Code der Codespur entspricht, und daß jedes eine "1" darstellende Element in beiden Spuren in 2a Taktperioden eingeteilt ist, so daß die getrennte Auswertung der Codeablesungen das Codesignal, die gemeinsame das Taktsignal und der um 90° phasenverschobene, beide Spuren erfassende Abtaster das phasenverschobene Taktsignal für die Drehrichtung ergibt.

6. Absolutwertgeber, vorzugsweise optisch, nach Anspruch 1, mit nur einer Spur, der Codespur, gekennzeichnet durch 2a * n vorzugsweise hintereinander angeordneten Abtaststellen (Fotozellenarray), welche im Lesetakt parallel abgerufen werden, wobei die Nummer jeder Zelle, auf der eine Flanke liegt, ebenfalls festgehalten, durch n dividiert wird, wodurch sich vor dem Komma die Binärstelle der Flanke und nach dem Komma der Feinwert als Bruchteil von 2a ergibt.

7. Optischer Absolutwertgeber nach Anspruch 6, zur Messung schnell bewegter Objekte, gekennzeichnet durch impulsförmige Beleuchtung mit einer Impulsdauer « dem Ablesetakt, mittels Lumineszensdioden oder Impulslaser.

8. Verfahren zur Herstellung des Codes nach Anspruch 1 durch Simulieren der Ablesung und des Weiterschreitens um 1 Element, gekennzeichnet durch einen Shift der abgelesenen Zahl, Entfernen des hinausgeschobenen bits und Vergleich der neuen Zahl auf Gleichheit mit allen bisher ermittelten, Setzen einer "0" auf das neue Teilelement, wenn keine gleiche Zahl vorhanden ist, sonst eine "1", auch in die vorher leere Stelle der letzten Zahl.