DE4314636A1 - Längengebervorrichtung zur Positionsbestimmung einer Abtasteinrichtung an einem Kabel und Verfahren zu einer derartigen Positionsbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einem Kabel und einer Abtasteinrichtung, die in Kabellängsrichtung relativ zueinander bewegbar sind, bestehende Längenge­ bervorrichtung zur Positionsbestimmung der Abtastein­ richtung an dem Kabel, wobei das Kabel magnetisch und/oder optisch kodierte Längsabschnitte aufweist und die Abtasteinrichtung Sensorelemente zum Detektieren der Längsabschnitte des Kabels besitzt, ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Position der Abtastein­ richtung an dem Kabel.

Eine derartige Längengebervorrichtung sowie ein Ver­ fahren zur Bestimmung der Position der Abtasteinrich­ tung an dem Kabel sind bereits bekannt und werden vor­ wiegend in industriellen Anlagen zum genauen Positio­ nieren von Werkzeugen, Maschinen oder dergleichen ein­ gesetzt. Dabei sind in Kabellängserstreckung magneti­ sche Längsabschnitte jeweils konstanter Länge und al­ ternierenden Magnetflusses vorgesehen, wobei ein mit magnetischen Sensoren ausgerüstete Abtasteinrichtung parallel zum Kabel verfahrbar angeordnet ist und das Kabel und/oder die Abtasteinrichtung zueinander pa­ rallel verschiebbar angeordnet sind.

Zur Positionsbestimmung wird die Abtasteinrichtung ausgehend vom Kabelursprung parallel verschoben, wobei die Übergänge zwischen aufeinander folgenden Längsab­ schnitten durch die Sensoren erfaßt und gezählt wer­ den. Durch dieses inkrementale Zählverfahren läßt sich die relative Position des Abtasteinrichtung bezüglich des Kabelursprungs ermitteln, jedoch verliert bei Ab­ schalten der Längengebervorrichtung die Abtastein­ richtung ihr Gedächtnis bezüglich der letzten Posi­ tion, so daß bei erneutem Anschalten ein Rückstellen der Abtasteinrichtung zur Ursprungsposition des Kabels erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Längengebervorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestim­ mung der Position der Abtasteinrichtung an dem Kabel zu schaffen, bei dem auch bei unbeabsichtigtem Ab­ schalten und Wiederanschalten der Vorrichtung bei­ spielsweise nach einem Stromausfall, die der momen­ tanen Position der Abtasteinrichtung entsprechende Po­ sitionsinformation nicht verloren geht. Insbesondere soll ein Rückführen oder auch ein Start der Abtastein­ richtung an der Nullposition des Kabels nicht zwingend erforderlich sein.

Die Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht dadurch gelöst, daß die kodierten Längsabschnitte durch als Marken ausgebildete Bereiche konstanter Länge und gleicher Kennung getrennt sind, wobei die Länge der Marken kleiner als die der Längsabschnitte ist und jeder Längsabschnitt eine unterschiedliche digitale Kennung aufweist, daß die Abtasteinrichtung eine der Wortbreite der digitalen Kennung der jewei­ ligen Längsabschnitte entsprechende oder größere Zahl von Sensorelementen aufweist, die in einem der gewün­ schten Auflösung etwa entsprechenden periodischen Ab­ stand, der kleiner als die Länge der Marken ist, von­ einander angeordnet und als lineare Kette ausgebildet sind, und daß die Kette etwa parallel zur Längser­ streckung des abzutastenden Kabelabschnittes angeord­ net ist.

Somit hat jeder Längsabschnitt des Kabels einen ihn spezifizierenden Digitalcode, dessen Wortanfang und Wortende durch die jeweilig angrenzenden Marken defi­ niert sind. Die Abtasteinrichtung kann deshalb bei ei­ ner der Wortbreite des Digitalcodes entsprechenden An­ ordnung der Sensorelemente diesen Code aufnehmen. Da­ durch kann in praktisch beliebiger Parallel-Verschie­ bestellung der Abtasteinrichtung relativ zum Kabelur­ sprung die an der Abtasteinrichtung anliegende Adresse eines Längsabschnittes und somit dessen Position be­ stimmt werden.

Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung besteht da­ rin, daß die digitale Kennung der Längsabschnitte mag­ netisch ist und die zwischen den Längsabschnitten lie­ genden Marken unmagnetisch oder unmagnetisiert sind und daß als Sensorelemente der Abtasteinrichtung mag­ netische Sensorelemente vorgesehen sind.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung kann darin be­ stehen, daß die Längsabschnitte mit einer optischen Kennung versehen sind, daß die Marken einen von der jeweiligen optischen Kennung der Längsabschnitte un­ terschiedlichen und konstanten optischen Informations­ pegel aufweisen und daß als Sensorelemente optische Sensorelemente vorgesehen sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Längsabschnitte konstante Blocklänge auf und die digi­ tale Kennung liegt in binärer Darstellung konstanter Wortbreite vor. Dabei besteht die Kennung der jeweili­ gen Längsabschnitte aus Querstreifen oder Bereichen, wobei bei magnetischer Kennung der magnetische Fluß oder bei optischer Kennung die optische Reflektivität jedes Querstreifens bzw. Bereichs einen von zwei ver­ schiedenen Werten annimmt. Somit kann die digitale Kennung eines magnetischen Längsabschnittes auf ein­ fache Weise durch in Nord- oder Südpolrichtung magne­ tisierte Querstreifen realisiert sein.

Auch bei der dazu analogen optischen Kennung sind die jeweiligen Längsabschnitte aus Querstreifen oder Be­ reichen gebildet, wobei die zwei Werte der optischen Reflektivität durch jeweils schwarze oder weiße Quer­ streifen realisiert sein können, wogegen die Marken eine einheitliche Graustufe aufweisen.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Abtast­ einrichtung über eine Stelleinrichtung parallel zu der Längserstreckung des abzutastenden Kabelabschnittes nachjustierbar oder nachführbar ist, bis eine an den auszulesenden Längsabschnitt angrenzende Marke von den Sensorelementen unterscheidbar ist. Dies kann dann der Fall sein, wenn der Sensorelementabstand und damit die Auflösung nicht kleiner als die Markenlänge ist.

Die Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht da­ durch gelöst, daß in einem Ausleseschritt die an der Abtasteinrichtung anliegenden Kennungen des auszule­ senden Kabelabschnittes in die Sensorelemente der Ab­ tasteinrichtung parallel und gleichzeitig übertragen werden, wobei die Kennung wenigstens eines Längsab­ schnittes und einer daran angrenzenden Marke oder we­ nigstens zweier Teillängsabschnitte mit einer dazwi­ schenliegenden Marke übertragen wird, und daß in einem Auswerteschritt die parallel übertragene Kennung den Sensorelementen entnommen wird, zur Ermittlung einer Sequenz des Längsabschnittes entsprechenden Blocknum­ mer digital dekodiert wird, wobei zur Ermittlung einer Referenzposition zumindest einen der Marke entspre­ chendes Sensorelement ermittelt wird, und daß unter Berücksichtigung der Parameter Blocklänge, Marken­ länge, Elementabstand, der entsprechenden Blocknummer sowie des als Referenzposition dienenden Sensorelemen­ tes die Position des abgetasteten Längsabschnittes bezüglich des Kabelanfangs bestimmt wird.

Im Gegensatz zu dem sequentiellen bzw. inkrementalen Verfahren nach dem Stande der Technik werden die Daten der jeweiligen Kennung eines Längsabschnittes parallel und gleichzeitig von der Abtasteinrichtung aufgenom­ men. Dadurch läßt sich mittels eines einzigen Lesevor­ ganges eines Kabelabschnittes der entsprechende Längs­ abschnitt identifizieren.

Anhand der beigefügten Zeichnung soll nachstehend eine Ausführungsform der Erfindung erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 ein Kabel einer Längengebervorrichtung mit einem magnetisch kodierten Längsabschnitt, dessen aus einer Sequenz von magnetischen Nord- oder Südpolen bestehende Kennung ein magnetisches Bitmuster zeigt,

Fig. 2 die aus dem Kabel und einer Abtasteinrichtung bestehende Längengebervorrichtung, wobei an der Abtasteinrichtung Sensorelemente zur De­ tektion des magnetischen Bitmusters an dem Kabel vorgesehen sind und die Abtastein­ richtung mit einer Stelleinrichtung zu ihrer Längsverstellung und einer Elektronikeinheit in elektrischer Verbindung steht, sowie

Fig. 3 die Abtasteinrichtung in teilweise geschnit­ tener Längsansicht mit einem zwischen einer integrierten Führungsschiene und einer Sensor­ kette verlaufenden Kabel.

Bei dem nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine aus einem magnetisch kodierten Kabel und einer Abtasteinrichtung bestehende Längengebervor­ richtung zur Positionsbestimmung der Abtasteinrichtung an dem Kabel.

Das in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Kabel - dabei kann es sich auch um ein Band beliebigen Querschnitts handeln - weist in Richtung seiner Längserstreckung abwech­ selnd als Marken 11 dienende unmagnetische Bereiche und magnetische Längsabschnitte 12 auf. Die magneti­ schen Längsabschnitte 12 umfassen jeweils Segmente oder Querstreifen 13, die entweder in Nord- oder Süd­ polrichtung 13′, 13′′ des magnetischen Flusses magne­ tisiert sind und entsprechend der Sequenz der ein­ zelnen Segmente 13 ein magnetisches Bitmuster bilden. Jeder Längsabschnitt 12 hat ein individuelles Bitmu­ ster und somit eine spezifische Kennung, die seiner Lage bzw. Sequenz bezüglich der anderen Längsabschnit­ te 12 entspricht. Zur Festlegung der jeweiligen Start- bzw. Stopbits entsprechend dem Wortanfang und dem Wortende einer Kennung dienen die an einen Längsab­ schnitt 12 angrenzenden Marken 11.

Fig. 2 zeigt in einer Schemadarstellung die im Ganzen mit 1 bezeichnete Längengebervorrichtung. Dabei sind eine Abtasteinrichtung 20 und ein Abschnitt des Kabels 10 relativ zueinander verschiebbar und auf der dem Ka­ bel 10 zugewandten Anlageseite 21 der Abtasteinrich­ tung 20 magnetische Sensorelemente 22 vorgesehen. Die Sensorelemente 22 sind als lineare Kette angeordnet, wobei die Zahl der Sensorelemente 22 der Wortbreite der digitalen Kennung der jeweiligen Längsabschnit­ te 12 entspricht. Um eine genügende Auflösung zu er­ zielen, ist der Elementabstand A der einzelnen Sensor­ elemente 22 konstant und nicht größer als die Länge eines Segmentes 13, welches einem Bit entspricht.

Da die Aufnahme einer der jeweiligen Marke entspre­ chenden Information zur Bestimmung der signifikanten Bits einer Kennung erforderlich ist, ist der Element­ abstand A kleiner als die Länge der jeweiligen Mar­ ke 11. Dazu ist es erforderlich, daß sich die Informa­ tion der Marke 11 gegenüber der Information eines Längsabschnittes 12 signifikant unterscheidet. Die Kennung eines Längsabschnittes 12 ist in Abhängigkeit von dessen Längserstreckung durch einen digitalen Ver­ lauf charakterisiert, welcher je nach magnetischer Flußrichtung aufeinander folgender Segmente 13 Werte annimmt, die entweder +1 oder -1 betragen, also einer Magnetisierung in Nord- oder Südpolrichtung ent­ sprechen. Dagegen ist die Information der Marken durch einen konstanten Informationspegel charakterisiert, welcher einem magnetischen Fluß von Null entspricht. Die Kennungen verschiedener an der Sensorkette anlie­ genden Längsabschnitte 12 sind somit durch die Sensor­ elemente 22 unterscheidbar.

Werden als Sensorelemente Hallsonden eingesetzt, so sind die statischen Magnetfelder der einzelnen Seg­ mente 13 detektierbar. In diesem Falle bilden die ein­ zelnen Segmente 13 das Bitmuster der Kennung, so daß ein High-Zustand einem magnetischen Nordpol und ein Low-Zustand einem Südpol entspricht. Diese Methode hat den Vorteil, daß die magnetische Information eines Längsabschnittes 12 in Ruhestellung von Kabel 10 und Abtastvorrichtung 20 lesbar ist.

Im Ausführungsbeispiel spricht ein Sensorelement 22 an, wenn ein Segmentübergang von Nord nach Süd oder umgekehrt erfolgt. Ein Segmentübergang ist mit einer zeitlichen Änderung des Magnetfeldes am Ort des jewei­ ligen Sensorelementes 22 verbunden. Zum Nachweis die­ ser Magnetfeldänderung geeignete Sensorelemente sind beispielsweise Induktionsaufnehmer oder Hallsonden.

Bei einer derartigen Meßkonfiguration der Längengeber­ vorrichtung 1 kann die Abtasteinrichtung 20 zur Längs­ verstellung in Erstreckungsrichtung des Kabels 10 durch eine Stelleinrichtung 23 nachgeführt werden, bis eine an einem Längsabschnitt 12 angrenzende Marke 11 von den Sensorelementen 22 erfaßbar ist. Dazu ist die Stelleinrichtung 23 mit der Abtasteinrichtung 20 elek­ trisch wirkverbunden. Gesteuert wird diese Stellein­ richtung 23 durch eine mit ihr verbundene Elektronik­ einheit 24, die auch zur Aufnahme der Meßwerte der Ab­ tasteinrichtung 20 dient.

Zur Positionsbestimmung der Abtasteinrichtung 20 an dem Kabel 10 wird in einem Ausleseschritt das an der Abtasteinrichtung 20 anliegende Bitmuster des auszu­ lesenden Kabelabschnitts 10′ in die einzelnen Sensor­ elemente 22 parallel und gleichzeitig übertragen. Zur vollständigen Erfassung der Kennung ist es erforder­ lich, daß der auszulesende Kabelabschnitt 10′ wenig­ stens einen Längsabschnitt 12 und eine daran angren­ zende Marke oder wenigstens zwei Teillängsabschnit­ te 12 mit einer dazwischenliegenden Marke 11 umfaßt.

In einem daran anschließenden Auswerteschritt ist es dann möglich, das entsprechende Bitmuster den einzel­ nen Sensorelementen 22 zu entnehmen und zur Ermittlung der Lage- bzw. der Sequenz des abzutastenden Längsab­ schnittes 12 digital zu dekodieren.

Einerseits zur Festlegung einer Referenzposition der Abtasteinrichtung 20 und andererseits zur Bestimmung der sog. MSB (most significant bit) bzw. LSB (least significant bit) -Bits wird dasjenige Sensorelement 22 abgefragt, welches der jeweiligen Marke 11 gegenüber­ liegt. Im Ausführungsbeispiel ist es dasjenige Sensor­ element 22, welches keine magnetische Signalinforma­ tion empfängt. Ist die Länge der Marken 11 größer als der Elementabstand A der Sensorkette 22, so können auch mehrere nebeneinander liegende Sensorelemente 22 einer Marke 11 gegenüberliegen.

Die Auswertung zur Bestimmung der Position der Abtast­ einrichtung 20 erfolgt unter Berücksichtigung der Pa­ rameter Blocklänge, Blockabstand, Markenlänge, Sensor­ elementabstand, Referenzsensorelement sowie der ent­ sprechenden Blocknummer, wobei im Ausführungsbeispiel die jeweils gemessenen Parameter durch die digital dekodierte Blocknummer und die Referenzposition des Sensorelementes 22 gegeben und die konstanten Parame­ ter Blocklänge, Markenlänge, Sensorelementabstand wegen ihrer Konstanz in der Elektronikeinheit 24 gespeichert sind. Die Funktion der Elektronikein­ heit 24 kann beispielsweise durch einen Mikrocontrol­ ler erfüllt sein.

Fig. 3 zeigt eine konkrete Ausgestaltung der Abtast­ einrichtung 20, bei der an einem die Sensorelemente 22 in Form einer Linearkette aufnehmenden Gehäuses 25 auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 25 Seiten­ schlitze vorgesehen sind, die zur Aufnahme bzw. Durch­ führung des Kabels 10 dienen. Innerhalb des Gehäu­ ses 25 befindet sich das Kabel 10 zwischen einer Füh­ rungsschiene 26 und der parallel dazu beabstandeten Sensorkette 22′. Die Sensorelemente 22 sind elektrisch mit einer gehäuseaußenseitigen Buchse 27 verbunden. In Kabellängserstreckung weist das Gehäuse 25 einen Fort­ satz 28 auf, der der besseren Führung des Kabels 10 dient.

Claims (7)

1. Aus einem Kabel und einer Abtasteinrichtung, die in Kabellängsrichtung relativ zueinander bewegbar sind, bestehende Längengebervorrichtung zur Positionsbestim­ mung der Abtasteinrichtung an dem Kabel, wobei das Ka­ bel magnetisch und/oder optisch kodierte Längsab­ schnitte aufweist und die Abtasteinrichtung Sensorele­ mente zum Detektieren der Längsabschnitte des Kabels besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die kodierten Längsabschnitte (12) durch als Mar­ ken (11) ausgebildete Bereiche konstanter Länge und gleicher Kennung getrennt sind, wobei die Länge der Marken (11) kleiner als die der Längsabschnitte (12) ist und jeder Längsabschnitt (12) eine unterschied­ liche digitale Kennung aufweist, daß die Abtastein­ richtung (20) eine der Wortbreite der digitalen Ken­ nung der jeweiligen Längsabschnitte (12) entsprechende oder größere Zahl von Sensorelementen (22) aufweist, die in einem der gewünschten Auflösung etwa entspre­ chenden periodischen Abstand (A), der kleiner als die Länge der Marken (11) ist, voneinander angeordnet und als lineare Kette (22′) ausgebildet sind, und daß die Kette (22′) etwa parallel zur Längserstreckung des abzutastenden Kabelabschnittes (10′) angeordnet ist.

2. Längengebervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Kennung der Längsab­ schnitte (12) magnetisch ist und die zwischen den Längsabschnitten (12) liegenden Marken (11) unmag­ netisch oder unmagnetisiert sind und daß als Sensor­ elemente (22) der Abtasteinrichtung (20) magnetische Sensorelemente vorgesehen sind.

3. Längengebervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Längsabschnitte (12) mit einer optischen Kennung versehen sind, daß die Marken (11) einen von der jeweiligen optischen Kennung der Längs­ abschnitte (12) unterschiedlichen und konstanten opti­ schen Informationspegel aufweisen und daß als Sensor­ elemente (22) optische Sensorelemente vorgesehen sind.

4. Längengebervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Längsabschnitte (12) konstante Blocklänge aufweisen und die digitale Ken­ nung in binärer Darstellung konstanter Wortbreite vor­ liegt.

5. Längengebervorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kennung der jeweiligen Längsabschnitte (12) aus Querstreifen oder Bereichen (13) besteht, wobei bei magnetischer Kennung der mag­ netische Fluß oder bei optischer Kennung die optische Reflektivität jedes Querstreifens bzw. Bereichs (13) einen von zwei verschiedenen Werten annimmt.

6. Längengebervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrich­ tung (20) über eine Stelleinrichtung (23) parallel zu der Längserstreckung des abzutastenden Kabelabschnit­ tes (10′) nachjustierbar oder nachführbar ist.

7. Verfahren zur Bestimmung der Position der Abtast­ einrichtung an dem Kabel bei der Längengebervorrich­ tung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Ausleseschritt die an der Ab­ tasteinrichtung (20) anliegenden Kennungen des auszu­ lesenden Kabelabschnittes (10′) in die Sensorelemente (22) der Abtastvorrichtung (20) parallel und gleich­ zeitig übertragen werden, wobei die Kennung wenigstens eines Längsabschnittes (12) und einer daran angrenzen­ den Marke (11) oder wenigstens zweier Teillängsab­ schnitte (12) mit einer dazwischen liegenden Marke (11) übertragen wird, und daß in einem Auswerteschritt die parallel übertragene Kennung den Sensorelementen (22) entnommen wird, zur Ermittlung einer der Sequenz des Längsabschnittes (12) entsprechenden Blocknummer digital dekodiert wird, wobei zur Ermittlung einer Re­ ferenzposition zumindest ein der Marke (11) entspre­ chendes Sensorelement (22) ermittelt wird, und daß un­ ter Berücksichtigung der Parameter Blocklänge, Marken­ länge, Elementabstand (A), der entsprechenden Block­ nummer sowie des als Referenzposition dienenden Sen­ sorelementes (22) die Position des abgetasteten Längs­ abschnittes (12) bezüglich des Kabelanfangs bestimmt wird.