WO1999042790A1 - Verfahren zum betrieb eines positionsmesssystems und geeignete positionsmesssystem hierzu - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines positionsmesssystems und geeignete positionsmesssystem hierzu Download PDF

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WO1999042790A1
WO1999042790A1 PCT/EP1999/000673 EP9900673W WO9942790A1 WO 1999042790 A1 WO1999042790 A1 WO 1999042790A1 EP 9900673 W EP9900673 W EP 9900673W WO 9942790 A1 WO9942790 A1 WO 9942790A1
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transmitted
abs
absolute position
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PCT/EP1999/000673
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Rainer Hagl
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Dr. Johannes Heidenhain Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
    • H03M1/24—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip
    • H03M1/28—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding
    • H03M1/30—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding incremental
    • H03M1/308—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding incremental with additional pattern means for determining the absolute position, e.g. reference marks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2454—Encoders incorporating incremental and absolute signals
    • G01D5/2455—Encoders incorporating incremental and absolute signals with incremental and absolute tracks on the same encoder
    • G01D5/2457—Incremental encoders having reference marks

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a position measuring system and a suitable position measuring system for this.
  • Position measuring systems for determining the relative position of two parts which are movable relative to one another which, in addition to a scanned incremental division, have one or more reference markings for producing a positional absolute reference of the two parts. Until a reference mark is passed over for the first or second time, incremental scanning signals are generated via the scanning unit of the position measuring system and fed to a counter unit. Incremental position data are transmitted from the counter unit to a downstream evaluation unit in serial form. This means that the current counter value of the counter unit is determined and the incremental position data are transmitted as a code word to the evaluation unit on the position measuring system on the part of the position measuring system.
  • the exact absolute position of the two parts which are movable relative to one another is known.
  • absolute position data or signals can be transmitted to the evaluation unit in the form of code words at the specified query times.
  • the exact absolute reference can be produced, for example, by means of a single reference marking with a known position, as well as by means of several so-called distance-coded reference markings. If the transmitted, serial position data are now also required by the evaluation unit for speed control, problems arise with regard to the exact speed determination during the transition from the incremental to the absolute position measurement. In particular, when transmitting absolute position data in the form of a code Word that indicates the exact absolute position, it is not possible to correctly determine the relative speed of the two parts that are movable relative to one another in the previous query time interval.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for operating a position measuring system and a suitable position measuring system, with which position data can be transmitted in serial form to a downstream evaluation unit. It should always be ensured that a correct determination of the relative speed of the two parts that are movable relative to one another is possible.
  • position difference value there are various possibilities with regard to the formation of the position difference value; it can be provided according to claim 2 to already form the position difference value on the part of the position measuring system and to transmit the determined value together with the absolute position data transmitted for the first time. - 3 -
  • the measures according to the invention can of course be used in connection with a wide variety of position measuring systems.
  • a wide variety of physical scanning principles can be used, e.g. optical, magnetic, inductive or capacitive principles.
  • both rotary position measuring systems can be designed according to the invention as well as linear position measuring systems.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of a
  • Figure 2 is a position-time diagram, a sampled
  • FIG. 1 is a position-time diagram, a sampled
  • Figure 4 is a position-time diagram, a sampled
  • Figure 5 is a position-time diagram, a sampled
  • Figure 1 shows in schematic form an embodiment of the position measuring system 10 according to the invention in connection with a downstream evaluation unit 5.
  • the position measuring system 10 can e.g. be used in a numerically controlled machine tool; In such an application, the evaluation unit 5 then corresponds to the numerical machine tool control.
  • incremental signals A, B which are phase-shifted by 90 ° are generated in a known manner. This can be done, for example, by optically scanning an incremental graduation with the aid of a scanning unit, the incremental graduation being relative to a - 5 -
  • a reference signal R is generated at one or more defined relative positions of the scale and scanning unit in order to establish an absolute reference of the relative incremental measurement.
  • provision can be made, for example, to attach a reference marking track with one or more reference markings at defined absolute positions laterally adjacent to an incremental graduation track on the scale.
  • the incremental signals A, B are fed in the position measuring system 10 to a first and second counter unit 1, 2, where the position-related incremental signals A, B are each added up in a known manner.
  • the respective counter readings of the two counter units 1, 2 are transferred to a downstream signal processing unit 3 in the position measuring system 10.
  • the processing of the various signals to be described in detail below takes place via the method according to the invention.
  • the reference signal R is also fed to the second counter unit 2 and the signal processing unit 3.
  • the processing according to the invention of the reference signal R and also of the two incremental signals A, B reference is made to the following description of exemplary embodiments of the method according to the invention with reference to FIGS. 2-5.
  • the position-related data that are ultimately to be transmitted to the evaluation unit 5 are processed via a signal processing unit 4 that is arranged downstream of the signal processing unit 3 in such a way that different data can be transmitted in serial form, for example as suitable code words.
  • FIG. 1 is only to be understood schematically. This means, for example, that both linear and rotary position - 6 -
  • measuring systems can be designed according to the invention.
  • the measures according to the invention can of course also be used in conjunction with other physical scanning principles, for example in magnetic, capacitive or inductive position measuring systems.
  • other physical scanning principles for example in magnetic, capacitive or inductive position measuring systems.
  • the method according to the invention is explained below with reference to FIG. 2 using a first exemplary embodiment.
  • the scanned scale 20 is shown here in connection with a position-time diagram and a diagram relating to a transmitted identification signal IS.
  • a single reference marking 22.1 is arranged in a reference marking track 22 laterally adjacent to an incremental graduation track 21.
  • a defined absolute position between the scale 20 and the scanning unit can be determined via the reference marking 22.1. It is shown in the position-time diagram of FIG. 2 how, at the start of the measurement, after switching on the supply voltage at time to, the relative position x re of the two parts that are movable relative to one another is determined via an incremental measurement.
  • the incremental signals A, B generated in this way do not yet allow a defined knowledge of the exact absolute position of scale 20 and scanning unit.
  • the respective incremental signals A, B are fed to the first counter unit, whose respective counter reading corresponds to the incremental position data x re .
  • the relative speed v of the parts that are movable relative to one another in the respective previous query interval ⁇ T a can be determined, for example, using the following relationship:
  • v Relative speed of the two parts
  • X r ⁇ i ( n ) transmitted incremental position data at the query times t n and t
  • ⁇ T a duration of the query interval
  • the reference mark 22.1 on the scale 20 is now run over at the time t R in the example and a corresponding reference signal R is generated or detected in a known manner. From this point in time t R , the absolute position x abs of the two parts that are movable relative to one another is known exactly. The further incremental measurement can be related to the now known absolute position x abs in the subsequent measurement phase.
  • the reference signal R is fed to both the second counter unit and the signal processing unit.
  • the counter value x abs of the second counter unit at time t ⁇ can also be set to another defined, absolute position value x abs (t R ) that is not equal to zero.
  • correct absolute position data in the form of counter value x abs (t 4 ) can therefore be transmitted to the evaluation unit for the first time.
  • These absolute position data in turn correspond to a known counter reading of the second counter unit, which is transmitted to the evaluation unit in a suitable form as a data word in the dual code or as a code word.
  • an identification signal IS is transmitted to the evaluation unit together with the serially transmitted incremental position data x re ⁇ (t n ), by means of which the evaluation unit recognizes that an exact absolute reference has not yet been established during the measurement and the relative position data is currently still being transmitted without absolute reference.
  • the identification signal IS consists of a bit which is transmitted serially in connection with the code word and is set to "0" in this measuring phase. After establishing the absolute reference by passing over the reference mark 22.1, this bit of the Identification signal IS is set to "1" and also transmitted serially to the evaluation unit in connection with the code word with respect to the then known absolute position x abs at the query times t n (n> 3). In this way it is ensured that the current type of position measurement is always known on the evaluation unit side.
  • the position difference value ⁇ x between the last relative one is passed over the signal processing unit at time t R via the signal processing unit Position value x re ⁇ (t R ) and the first known th absolute position value x abs (t R ) determined on the side of the position measuring system.
  • the determined position difference value ⁇ x x re ⁇ (t R ) - x abs (t R ) is transmitted to the evaluation unit at the subsequent query time t 4 together with the code word with respect to the absolute position and the identification signal IS.
  • the evaluation unit can use the position difference value ⁇ x to correctly determine the relative speed of the two mutually movable parts even in the previous query interval ⁇ T R between the query times t 3 and t 4 . For example, this is done using the following relationship:
  • v Relative speed of the two parts from p . re i: transmitted position values at query times t 3 and t 4 ⁇ T a : duration of the query interval
  • the correct speed v of the two parts moving relative to one another can thus be determined on the part of the evaluation unit. This ensures high-precision speed control at all times, especially when producing the exact absolute reference.
  • FIG. 3 A second possible embodiment of the method or position measuring system according to the invention is explained below with reference to FIG. 3.
  • a position-time diagram, a scanned scale 30 and a diagram relating to the transmitted identification signal IS are again shown. Furthermore, an axis with the absolute positions x abs is shown in arbitrary units below the scale 30.
  • so-called distance-coded reference markings 32.1-32.8 are arranged on the scale 30 to produce the absolute reference in a reference marking track 32 laterally adjacent to an incremental graduation track 31.
  • the distance d nm of which from one another is determined by an incremental measurement.
  • the relative position x re ⁇ of the two parts which are movable relative to one another is first determined by means of a relative measurement by scanning the incremental graduation track 31, as in the previous variant.
  • a reference mark 32.4 is passed over for the first time, between the query times t 3 and t 4 a second reference mark 32.5;
  • the position difference value ⁇ x between the last relative position value x re , (t R ) at time t R is passed over the first counter unit and the first known absolute position value x abs (t R ) of the second counter unit on the side of the position measuring system.
  • the determined position difference value ⁇ x x re ⁇ (t R ) - x abs (t R ) is also transmitted to the evaluation unit at the subsequent query time t 4 together with the code word with respect to the absolute position x abs (t4) and an identification signal IS.
  • the identification signal IS reference is made to the first exemplary embodiment explained above.
  • the evaluation unit can use the position difference value ⁇ x to correctly determine the relative speed of the two mutually movable parts even in the previous query interval ⁇ T R between query times t 3 and t 4, for example using equation (2) already given above. An exact speed or speed control is therefore also possible at the time of establishing the absolute reference. - 12 -
  • the various components of the position measuring device shown in the figure also perform the fundamentally similar tasks in the second exemplary embodiment as in the first exemplary embodiment explained.
  • FIG. 4 again shows a position-time diagram, a scanned scale 40 and a diagram relating to the transmitted identification signal IS. Furthermore, an axis with the absolute positions x abs is shown in arbitrary units below the scale 40. Only the decisive differences of this variant compared to the example in FIG. 2 are discussed below; otherwise reference is made to FIG. 2 with regard to the labeling and the reference symbols.
  • incremental position data x re ⁇ (t n ) in addition to or in addition to the absolute position data X abs is also reached when the reference marking 42.1 is reached .
  • U to transmit This is done by serial transmission of the corresponding counter readings of the two counter units within the framework of the transmission protocol provided.
  • the position difference value ⁇ x which is required for precise speed control, is then formed on the basis of the transmitted position data or counter readings only on the part of the evaluation unit.
  • the position difference value ⁇ x is formed in the evaluation unit as well as in the previous examples.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Positionsmeß systems sowie ein geeignetes Positionsmeß system angegeben, wobei nach dem Meßbeginn Inkrementalsignale bezüglich der Relativposition zweier zueinander beweglicher Teile über das Positionsmeß system erzeugt und an eine Auswerteeinheit in serieller Form zu vorgegebenen Abfragezeitpunkten übertragen werden. Ab einer bekannten, definierten Absolutposition der beiden zueinander beweglichen Teile werden Absolutpositionssignale zu den vorgegebenen Abfragezeitpunkten an die Auswerteeinheit in serieller Form übertragen. Ferner ist es möglich, einen Positionsdifferenzwert aus den verschiedenen Positionsdaten zu ermitteln, der die im vorangegangenen Abfrage-Intervall aufgetretene Differenz zwischen dem zuletzt bestimmten relativen Positionswert und dem ersten absoluten Positionswert angibt.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Positionsmeßsystems und geeignetes Positionsmeßsystem hierzu
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Positionsmeßsystems sowie ein geeignetes Positionsmeßsystem hierzu.
Es sind Positionsmeßsysteme zur Bestimmung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Teile bekannt, die neben einer abgetasteten Inkre- mentalteilung ein oder mehrere Referenzmarkierungen zum Herstellen eines positionsmäßigen Absolutbezuges der beiden Teile aufweisen. Bis zum ersten oder zweiten Überfahren einer Referenzmarkierung werden dabei über die Abtasteinheit des Positionsmeßsystems inkrementale Abtastsignale er- zeugt und einer Zählereinheit zugeführt. Von der Zählereinheit werden inkrementale Positionsdaten an eine nachgeordnete Auswerteeinheit in serieller Form übertragen. Dies bedeutet, daß zu definierten Abfragezeitpunkten auf Seiten des Positionsmeßsystems der aktuelle Zählerwert der Zählereinheit bestimmt und die inkrementalen Positionsdaten als Codewort an die Aus- werteeinheit übertragen werden. Sobald das erste oder zweite Mal auf dem Maßstab des Positionsmeßsystems angeordnete Referenzmarkierungen von der Abtasteinheit überfahren werden, ist die exakte Absolutposition der beiden zueinander beweglichen Teile bekannt. Nachfolgend ist die Übertragung von Absolutpositionsdaten bzw. -Signalen zu den vorgegebenen Abfragezeit- punkten in Form von Codewörtern an die Auswerteeinheit möglich. Hierbei kann der exakte Absolutbezug beispielsweise durch eine einzige Referenzmarkierung mit bekannter Lage ebenso hergestellt werden wie mittels mehrerer, sogenannter abstandscodierter Referenzmarkierungen. Werden nunmehr die übertragenen, seriellen Positionsdaten von der Aus- werteeinheit auch zur Geschwindigkeitsregelung benötigt, so resultieren Probleme bezüglich der exakten Geschwindigkeitsbestimmung beim Übergang von der Inkremental- zur Absolutpositions-Messung. Insbesondere ist bei der erstmaligen Übertragung von Absolutpositionsdaten in Form eines Code- Wortes, das die exakte Absolutposition angibt, keine korrekte Bestimmung der Relativgeschwindigkeit der beiden zueinander beweglichen Teile im vorangegangenen Abfragezeitpunkts-Intervall möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb eines Positionsmeßsystemes sowie ein geeignetes Positionsmeßsystem anzugeben, womit Positionsdaten in serieller Form an eine nachgeordnete Auswerteeinheit übertragen werden können. Dabei soll stets sichergestellt sein, daß eine korrekte Bestimmung der Relativgeschwindigkeit der beiden zueinander beweglichen Teile möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Positionsmeßsystem mit den Merkmalen des Anspruches 10.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Positionsmeßsysteme ergeben sich aus den Maßnahmen in den jeweils abhängigen Ansprüchen.
Aufgrund der nunmehr erfindungsgemäß vorgesehenen Bildung eines Positionsdifferenzwertes nach dem Herstellen des Absolutbezuges ist sichergestellt, daß auch zu diesem Zeitpunkt eine eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit der zwei zueinander beweglichen Teile möglich ist. Eine präzise Geschwindigkeitsregelung über die Auswerteeinheit ist somit ge- währleistet.
In Bezug auf die Bildung des Positionsdifferenzwertes gibt es verschiedene Möglichkeiten; so kann gemäß Anspruch 2 vorgesehen werden, den Positionsdifferenzwert bereits auf Seiten des Positionsmeßsystems zu bilden und den ermittelten Wert zusammen mit den erstmalig übertragenen Absolutpositionsdaten zu übertragen. - 3 -
Alternativ ist es gemäß Anspruch 8 aber auch grundsätzlich möglich, nach der Herstellung des Absolutbezuges sowohl die inkrementalen Positionsdaten als auch die Absolutpositionsdaten an die Auswerteeinheit zu übertragen und die Bildung des Positionsdifferenzwertes erst auf Seiten der Auswerte- einheit vorzunehmen.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich selbstverständlich in Verbindung mit den verschiedensten Positionsmeßsystemen einsetzen. Dabei können zum einen unterschiedlichste physikalische Abtastprinzipien einge- setzt werden, z.B. optische, magnetische, induktive oder aber kapazitive - Prinzipien. Ebenso können sowohl rotatorische Positionsmeßsysteme ebenso erfindungsgemäß ausgestaltet werden wie lineare Positionsmeßsysteme.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen.
Dabei zeigt
Figur 1 ein schematisiertes Blockschaltbild eines
Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Positionsmeßsystems in Verbindung mit einer Auswerteeinheit;
Figur 2 ein Positions-Zeit-Diagramm, ein abgetasteter
Maßstab sowie ein Diagramm bzgl. der Übertragung eines Identifizierungssignales zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 3 ein Positions-Zeit-Diagramm, ein abgetasteter
Maßstab sowie ein Diagramm bzgl. der Übertragung eines Identifizierungssignales zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispie- les des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 4 ein Positions-Zeit-Diagramm, ein abgetasteter
Maßstab sowie ein Diagramm bzgl. der Über- tragung eines Identifizierungssignales zur Erläuterung eines dritten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 5 ein Positions-Zeit-Diagramm, ein abgetasteter
Maßstab sowie ein Diagramm bzgl. der Übertragung eines Identifizierungssignales zur Erläuterung eines vierten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt in schematischer Form ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positionsmeßsystems 10 in Verbindung mit einer nachgeordneten Auswerteeinheit 5. Das Positionsmeßsystem 10 kann z.B. in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine eingesetzt werden; die Auswerteeinheit 5 entspricht in einer derartigen Anwendung dann der numerischen Werkzeugmaschinensteuerung.
Auf Seiten des Positionsmeßsystems 10 werden in bekannter Art und Weise um 90° phasenversetzte Inkrementalsignale A, B erzeugt. Dies kann beispielsweise durch die optische Abtastung einer Inkrementalteilung mit Hilfe einer Abtasteinheit erfolgen, wobei die Inkrementalteilung auf einem relativ - 5 -
zur Abasteinheit beweglichen Maßstab angeordnet ist. Desweiteren wird bei ein oder mehreren definierten Relativpositionen von Maßstab und Abtasteinheit ein Referenzsignal R erzeugt, um einen Absolutbezug der Relativ-Inkre- mentalmessung herzustellen. Zu diesem Zweck kannn beispielsweise vorge- sehen werden, seitlich benachbart zu einer Inkrementalteilungsspur auf dem Maßstab eine Referenzmarkierungsspur mit ein oder mehreren Referenzmarkierungen an definierten Absolutpositionen anzubringen.
Die Inkrementalsignale A, B werden im Positionsmeßsystem 10 einer ersten und zweiten Zählereinheit 1 , 2 zugeführt, wo jeweils in bekannter Art und Weise ein Aufsummieren der positionsbezogenen Inkrementalsignale A, B erfolgt. Die jeweiligen Zählerstände der beiden Zählereinheiten 1 , 2 werden an eine nachgeordnete Signalverarbeitungseinheit 3 im Positionsmeßsystem 10 übergeben. In der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt die nachfolgend noch detailliert zu beschreibende Verarbeitung der verschiedenen Signale über das erfindungsgemäße Verfahren.
Das Referenzsignal R wird desweiteren der zweiten Zählereinheit 2 sowie der Signalverarbeitungseinheit 3 zugeführt. In Bezug auf die erfindungsgemäße Verarbeitung des Referenzsignales R als auch der beiden Inkrementalsignale A, B sei auf die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren 2 - 5 verwiesen.
Über eine, der Signalverarbeitungseinheit 3 nachgeordneten Signalaufberei- tungseinheit 4 werden die letztlich an die Auswerteeinheit 5 zu übertragenden, positionsbezogenen Daten derart aufbereitet, daß eine Übertragung verschiedener Daten in serieller Form, beispielsweise als geeignete Codewörter, möglich ist.
An dieser Stelle sei desweiteren darauf hingewiesen, daß die in Figur 1 gezeigte Darstellung lediglich schematisch zu verstehen ist. Dies bedeutet etwa, daß selbstverständlich sowohl lineare als auch rotatorische Positions- - 6 -
meßsysteme erfindungsgemäß ausgestaltet werden können. Daneben können die erfindungsgemäßen Maßnahmen selbstverständlich auch in Verbindung mit anderen physikalischen Abtastprinzipien eingesetzt werden, beispielsweise in magnetischen, kapazitiven oder induktiven Positionsmeßsy- stemen. Ebenso existieren selbstverständlich verschiedenste weitere Möglichkeiten bezüglich der Erzeugung der Referenzsignale und der Anordnung der signalverarbeitenden Komponenten auf Seiten des Positionsmeßsystems etc. im Rahmen der erfindungsgemäßen Überlegungen.
Anhand der Figur 2 sei nachfolgend anhand eines ersten Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Verfahren inclusive der zugehörigen Vorrichtung erläutert. Dargestellt ist hierbei der abgetastete Maßstab 20 in Verbindung mit einem Positions-Zeit-Diagramm sowie einem Diagramm bezüglich eines übertragenen Identifizierungssignales IS. Auf Seiten des abgetasteten Maßstabes 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel lediglich eine einzige Referenzmarkierung 22.1 in einer Referenzmarkierungsspur 22 seitlich benachbart zu einer Inkrementalteilungsspur 21 angeordnet. Über die Referenzmarkierung 22.1 ist eine definierte Absolutposition zwischen dem Maßstab 20 und der - nicht gezeigten - Abtasteinheit be- stimmbar. Dargestellt ist im Positions-Zeit-Diagramm der Figur 2, wie zu Meßbeginn nach dem Einschalten der Versorgungsspannung zum Zeitpunkt to zunächst die Relativposition xre, der beiden zueinander beweglichen Teile über eine Inkrementalmessung bestimmt wird. Die dabei erzeugten Inkrementalsignale A, B ermöglichen noch keine definierte Kenntniss der exakten Absolutposition von Maßstab 20 und Abtasteinheit. Die jeweiligen Inkrementalsignale A, B werden in dieser Meßphase der ersten Zählereinheit zugeführt, deren jeweiliger Zählerstand den inkrementalen Positionsdaten xre, entspricht. Der Zählerstand mit den relativen Positionsdaten xre, bzw. den inkrementalen Positionsdaten wird nach einer geeigneten Verarbeitung und Auf- bereitung in serieller Form als Codewort xrel(tn) bzw. Datenwort zu vorgegebenen Abfragezeitpunkten tn (n = 1 , 2, 3....) an die nachgeordnete Auswerteeinheit übertragen. Wenngleich auswerteseitig in dieser Meßphase noch - 7 -
keine exakte Positionsregelung aufgrund des noch nicht bekannten Absolutbezuges möglich ist, so kann mit Hilfe der übertragenen inkrementalen Positionsdaten bzw. der Zählerwerte bzgl. der Relativpositionen xre,(tn) zumindest bereits die Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelung eines Antriebes vorge- nommen werden, der die Relativbewegung bewirkt. Hierzu kann auf Seiten der Auswerteeinheit die Relativgeschwindigkeit v der zueinander beweglichen Teile im jeweils vorhergehenden Abfrageintervall ΔTa beispielsweise über folgende Beziehung bestimmt werden:
v = (xrel(tn) - xrel( )/ ΔTa (Gl. 1)
mit
v: Relativgeschwindigkeit der beiden Teile Xrβi( n): übertragene inkrementale Positionsdaten zu den Abfragezeitpunkten tn bzw. t,,-, ΔTa: Dauer des Abfrageintervalles
Zwischen den beiden Abfragezeitpunkten t3 und t„ wird zum Zeitpunkt tR im Beispiel nunmehr die Referenzmarkierung 22.1 auf dem Maßstab 20 überfahren und ein entsprechendes Referenzsignal R in bekannter Art und Weise erzeugt bzw. detektiert. Ab diesem Zeitpunkt tR ist die Absolutposition xabs der beiden zueinander beweglichen Teile exakt bekannt. Auf die nunmehr bekannte Absolutposition xabs kann in der nachfolgenden Meßphase die weitere inkrementalmessung bezogen werden.
Sobald zum Zeitpunkt tR das Referenzsignal R detektiert wird, wird die zweite Zählereinheit im gezeigten Ausführungsbeispiel auf den Positionswert xabs(tR) = 0 gesetzt und anschließend ab dem gesetzten Zähierwert xabs(tR) = 0 in- kremental weiter gemessen. Das Referenzsignal R wird hierbei sowohl der zweiten Zählereinheit als auch der Signalverarbeitungseinheit zugeführt. - 8 -
Selbstverständlich kann der Zählerwert xabs der zweiten Zählereinheit zum Zeitpunkt tπ auch auf einen anderen definierten, absoluten Positionswert xabs(tR) gesetzt werden, der ungleich Null ist.
Zum Abfragezeitunkt t4 können demzufolge zum ersten Mal korrekte Abso- lutpositionsdaten in Form des Zählerwertes xabs(t4) an die Auswerteeinheit übertragen werden. Diese Absolutpositionsdaten entsprechen wiederum einem bekannten Zählerstand der zweiten Zählereinheit, der in geeigneter Form als Datenwort im Dualcode bzw. als Codewort aufbereitet an die Auswerteeinheit übertragen wird.
In der ersten Meßphase bis zum Erreichen der Referenzmarkierung 22.1 wird zusammen mit den seriell übertragenen inkrementalen Positionsdaten xreι(tn) ein Identifizierungssignal IS an die Auswerteeinheit übertragen, anhand dessen die Auswerteeinheit erkennt, daß noch kein exakter Absolutbezug bei der Messung hergestellt wurde und derzeit noch die Relativpositionsdaten ohne Absolutbezug übertragen werden. Das Identifizierungssignal IS besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel dabei aus einem Bit, das in Verbindung mit dem Codewort seriell übertragen wird und in dieser Meßphase auf „0" gesetzt ist. Nach dem Herstellen des Absolutbezuges durch das Überfahren der Re- ferenzmarkierung 22.1 wird nachfolgend dieses Bit des Identifizierungssignales IS auf „1" gesetzt und ebenfalls seriell in Verbindung mit dem Codewort bezüglich der dann bekannten Absolutposition xabs zu den Abfragezeitpunkten tn (n>3) an die Auswerteeinheit übertragen. Auf diese Art und Weise ist gewährleistet, daß auf Seiten der Auswerteeinheit stets die aktuelle Art der Positionsmessung bekannt ist.
Um nunmehr erfindungsgemäß sicherzustellen, daß zu jedem Abfragezeitpunkt tn eine korrekte Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelung auf Basis der an die Auswerteeinheit übertragenen Daten möglich ist, wird in diesem Ausführungsbeispiel beim Überfahren der Referenzmarkierung 22.1 zum Zeitpunkt tR über die Signalverarbeitungseinheit der PositionsdifferenzwertΔx zwischen dem letzten relativen Positionswert xreι(tR) und dem ersten bekann- ten absoluten Positionswert xabs(tR) auf der Seite des Positionsmeßsystems bestimmt. Der ermittelte Positionsdifferenzwert Δx = xreι(tR) - xabs(tR) wird zum nachfolgenden Abfragezeitpunkt t4 zusammen mit dem Codewort bezüglich der Absolutposition und dem Identifizierungssignal IS an die Auswerteeinheit übertragen. Auf Seiten der Auswerteeinheit kann mit Hilfe des Positionsdifferenzwertes Δx damit auch im vorangegangenen Abfrageintervall ΔTR zwischen den Abfragezeitpunkten t3 und t4 korrekt die Relativgeschwindigkeit der beiden zueinander beweglichen Teile bestimmt werden. Dies erfolgt beispielsweise über die folgende Beziehung:
v = (xabs(t4) - x.eι(t3) - Δx)/ ΔTa (Gl. 2)
wobei wie oben gilt:
v: Relativgeschwindigkeit der beiden Teile abS.rei: übertragene Positionswerte zu den Abfragezeitpunkten t3 und t4 ΔTa: Dauer des Abfrageintervalles
Auch im Abfrageintervall ΔTR vor der erstmaligen Übertragung des Absolut- positionssignales kann damit die korrekte Geschwindigkeit v der beiden zueinander beweglichen Teile auf Seiten der Auswerteeinheit bestimmt werden. Eine hochpräzise Geschwindigkeitsregelung zu jedem Zeitpunkt ist damit sichergestellt, insbesondere bei der Herstellung des exakten Absolutbezuges.
Die vorab erläuterte Verarbeitung der verschiedenen Zählerstände, Herstellen des Absolutbezuges, Berechnen des Positionsdifferenzwertes, Umschalten des Identifizierungssignales etc. erfolgt hierbei mit Hilfe der in Figur 1 angedeuteten Signalverarbeitungseinheit auf Seiten des Positionsmeßsy- stemes. Diese kann in geeigneter Form hard- oder softwaremäßig ausgebildet werden. - 10 -
Eine zweite mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Positionsmeßystems sei nachfolgend anhand der Figur 3 erläutert. Gezeigt ist wiederum ein Positions-Zeit-Diagramm, ein abgetasteter Maßstab30 sowie ein Diagramm bezüglich des übertragenen Identifizierungssignales IS. Ferner ist unterhalb des Maßstabes 30 eine Achse mit den Absolutpositonen xabs in willkürlichen Einheiten dargestellt.
Im Unterschied zur vorab erläuterten Variante ist nunmehr vorgesehen, auf dem Maßstab 30 zur Herstellung des Absolutbezuges sogenannte ab- standscodierte Referenzmarkierungen 32.1 - 32.8 in einer Referenzmarkie- rungsspur 32 seitlich benachbart zu einer Inkrementalteilungsspur 31 anzuordnen. Um den gewünschten Absolutbezug bei der Positionsmessung herzustellen, ist dabei das Überfahren von mindestens zwei Referenzmarkierungen 32.1 - 32.8 erforderlich, deren Abstand dnm zueinander über eine In- krementalmessung bestimmt wird. Im dargestellten Beispiel wird nach Einschalten der Stromversorgung zum Zeitpunkt t0 zunächst wie in der vorhergehenden Variante die Relativposition xreι der beiden zueinander beweglichen Teile über eine Relativmessung durch die Abtastung der Inkrementalteilungsspur 31 bestimmt. Die Inkrementalsignale A, B der Abtastung werden hierbei ebenfalls einer ersten Zählereinheit zugeführt, die die Zählerwerte in Form der Relativpositionen von xre, = 0 beginnend in dieser Meßphase aufsummiert. Die Zählerwerte xre,(tn) der ersten Zählereinheit bzgl. der Relativposition von Maßstab 30 und Abtasteinheit werden wiederum als inkrementale Positionsdaten in serieller Form als Dualwort codiert zu den Abfragezeitpunkten tn (n = 1 , 2, 3....) an die nachgeord- nete Auswerteeinheit übertragen.
Zwischen den Abfragezeitpunkten •■ und t2 wird hierbei das erste Mal eine Referenzmarkierung 32.4 überfahren, zwischen den Abfragezeitpunkten t3 und t4 eine zweite Referenzmarkierung 32.5; der zwischen diesen Referenzmarkierungen liegende Abstand d4S = 10,04 wird über die Inkrementalmes- sung bestimmt. Aufgrund des bekannten Abstandes d45 zwischen den beiden überfahrenen Referenzmarkierungen 32.4 und 32.5 ist demzufolge zum Zeitpunkt tR die exakte Absolutposition xabs(tR) = 30 des Maßstabes 30 in Bezug - 11 -
auf die - nicht dargestellte - Abtasteinheit bekannt. Ab dem Abfragezeitpunkt t4 kann somit die exakte Absolutposition xabs(t4) zwischen den beiden beweglichen Teilen zu den Abfragezeitpunkten tn (n ≥ 4) an die Auswerteeinheit übertragen werden. Beim Überfahren der zweiten Referenzmarkierung 32.5 wird eine zweite Zählereinheit hierzu auf den korrekten Absolutpositionswert xabs = 30 gesetzt und nachfolgend der Zählerstand der zweiten Zählereinheit über die Inkrementalmessung aktualisiert, indem eine entsprechende Auf- summierung erfolgt.
Um nunmehr wiederum zu jedem Zeitpunkt eine korrekte Geschwindigkeits- bestimung auf Seiten der Auswerteeinheit und demzufolge eine entsprechende -regelung derselben zu ermöglichen, wird beim Überfahren der Referenzmarkierung 32.5 zum Zeitpunkt tR der Positionsdifferenzwert Δx zwischen dem letzten relativen Positionswert xre,(tR) der ersten Zählereinheit und dem ersten bekannten absoluten Positionswert xabs(tR) der zweiten Zählereinheit auf der Seite des Positionsmeßsystems bestimmt. Der ermittelte Positionsdifferenzwert Δx = xreι(tR) - xabs(tR) wird auch im zweiten Ausführungsbeispiel zum nachfolgenden Abfragezeitpunkt t4 zusammen mit dem Codewort bezüglich der Absolutposition xabs(t4) und einem Identifizierungssignal IS an die Auswerteeinheit übertragen. Bezüglich des Identifizierungssignales IS sei im übrigen auf das oben erläuterte erste Ausführungsbeispiel verwiesen.
Auf Seiten der Auswerteeinheit kann mit Hilfe des Positionsdifferenzwertes Δx damit auch im vorangegangenen AbfrageintervallΔTR zwischen den Ab- fragezeitpunkten t3 und t4 z.B. über die bereits oben angegebene Gleichung (2) korrekt die Relativgeschwindigkeit der beiden zueinander beweglichen Teile bestimmt werden. Auch zum Zeitpunkt der Herstellung des Absolutbezuges ist somit eine exakte Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlregelung möglich. - 12 -
Die verschiedenen Komponenten der in Figur gezeigten Positionsmeßeinrichtung übernehmen auch im zweiten Ausführungsbeispiel die grundsätzlich ähnlichen Aufgaben wie im erläuterten ersten Ausführungsbeispiel.
in den beiden bislang erläuterten Ausführungsbeispielen war jeweils vorgesehen, den Positionsdifferenzwert Δx auf Seiten des Positinsmeßsystems zu ermitteln und an die nachgeordnete Auswerteeinheit zu übertragen. Nachfolgend seien zwei weitere erfindungsgemäße Varianten erläutert, in denen die Bildung des Positionsdifferenzwertes Δx auf Grundlage der übertragenen Daten erst auf Seiten der Auswerteeinheit erfolgt.
So zeigt Figur 4 wiederum ein Positions-Zeit-Diagramm, einen abgetasteten Maßstab 40 sowie ein Diagramm bezüglich des übertragenen Identifizierungssignales IS. Ferner ist unterhalb des Maßstabes 40 eine Achse mit den Absolutpositionen xabs in willkürlichen Einheiten dargestellt. Nachfolgend sei lediglich auf die entscheidenden Unterschiede dieser Variante gegenüber dem Beispiel in Figur 2 eingegangen; ansonsten sei in Bezug auf die Beschriftung und die Bezugszeichen auf Figur 2 verwiesen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in Figur 2 ist nunmehr vorgesehen, auch dem Erreichen der Referenzmarkierung 42.1 weiterhin inkrementale Positionsdaten xreι(tn) neben bzw. zusätzlich zu den Absolutpositionsdaten Xabs .U zu übermitteln. Dies erfolgt durch die serielle Übertragung der entsprechenden Zählerstände der beiden Zählereinheiten im Rahmen des vorgesehenen Übertragungsprotokolles. Die Bildung des Positionsdifferenzwertes Δx, die zur präzisen Geschwindigkeitsregelung erforderlich ist, erfolgt auf Grundlage der übertragenen Positionsdaten bzw. Zählerstände dann erst auf Seiten der Auswerteeinheit. Hierbei wird der PositionsdifferenzwertΔx in der Auswerteeinheit ebenso gebildet wie in den vorhergehenden Beispielen.
Ein ähnliches Vorgehen ist auch im vierten Ausführungsbeispiel vorgesehen, das anhand der Figur 5 kurz beschrieben sei. Diese Variante entspricht wiederum grundsätzlich dem in Figur 3 bereits ausführlich erläuterten Beispiel - 13 -
mit abstandscodierten Referenzmarkierungen. Es sei demzufolge nur auf die Unterschiede zur bereits beschriebenen Ausführungsform eingegangen. Wie im Beispiel der Figur 4 ist vorgesehen, nach dem Herstellen des Absolutbezuges, d.h. dem Überfahren der zweiten Referenzmarkierung 52.4 zum Zeitpunkt tR, neben den Absolutpositionsdaten xabs(tn) auch weiterhin die in- krementalen Positionsdaten xabs(tπ) an die Auswerteeinheit zu übertragen. Dies erfolgt wiederum durch die entsprechende Übertragung der jeweiligen Zählerstände der beiden Zählereinheiten zu den Abfragezeitpunkten tn in serieller Form. Die Bildung des Positionsdifferenzwertes Δx erfolgt wie vorab erläutert demzufolge erst wieder in der Auswerteeinheit auf Grundlage der übertragenen Daten bzgl. relativer und absoluter Position. Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen existieren selbstverständlich noch diverse weitere Möglichkeiten, die erfindungsgemäßen Verfahren geeignet abzuwandeln.

Claims

- 14 -Ansprύche
1 . Verfahren zum Betrieb eines Positionsmeßsystems, wobei
- nach dem Meßbeginn Inkrementalsignale (A, B) bezüglich der Relativposition zweier zueinander beweglicher Teile über das Positionsmeßsystem erzeugt und an eine Auswerteeinheit (5) inkrementale Positions- daten (xreι(tn)) in serieller Form zu vorgegebenen Abfragezeitpunkten (tn) übertragen werden,
- ab einer bekannten, definierten Absolutposition der beiden zueinander beweglichen Teile Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) zu den vorgegebenen Abfragezeitpunkten (tn) an die Auswerteeinheit (5) in serieller Form übertragen werden und
- nach dem Erreichen der Absolutposition ein Positionsdifferenzwert (Δx) gebildet wird, der die im vorangegangenen Abfrage-Intervall bestimmte Differenz zwischen den zuletzt bestimmten inkrementalen Positionsdaten (xre,) und den erstmalig bestimmten Absolutpositionsdaten (xabs) angibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Positionsdifferenzwert (Δx) auf Seiten des Positionsmeßsystems gebildet wird und bei der erstmaligen Übertragung von Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) der Positionsdifferenz- wert (Δx) zusätzlich an die Auswerteeinrichtung übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die inkrementalen Positionsdaten (x.ei(tn)) auf der Seite des Positionsmeßsystems über eine erste Zählereinheit (1) und die Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) über eine zweite Zählereinheit (2) bestimmt werden und bei der erstmaligen Übertragung der Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) zusätzlich die Differenz der beiden Zählerstände bei der definierten Absolutposition als Positionsdifferenzwert (Δx) an die Auswerteeinheit (5) übertragen wird. - 15 -
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bis zum erstmaligen Erreichen einer Referenzmarkierung (22.1) auf dem Maßstab (20) des Positionsmeßsystems an einer definierten Absolutposition inkrementale Positionsdaten (x.ei (U) an die Auswerteeinheit (5) übertragen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei inkrementale Positionsdaten (xreι(tn)) an die Auswerteeinheit (5) übertragen werden, bis zwei Referenzmarkierungen (32.4, 32.5) auf dem Maßstab (30) des Positionsmeßsystems überfahren wurden, aus deren Relativabstand (d45) sich die definierte Absolutposition der zweiten überfahrenen Referenzmarkierung (32.5) auf dem Maßstab (30) bestimmen läßt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei sowohl bezüglich der inkrementalen Positionsdaten (xreι(tn)) wie auch bezüglich der Absolutpositiondaten (xabs(U) jeweils ein eindeutiges Identifizierungssignal (IS) bezüglich der gerade übertragenen Signalart an die Auswerteeinheit (5) übertragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das übertragene Identifizierungs- Signal (IS) zwei mögliche, logische Zustände einnehmen kann, die eindeutig mit der Übertragung der inkrementalen Positionsdaten (xreι(tn)) oder der Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) verbunden sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei nach dem Erreichen der Absolutposi- tion sowohl inkrementale Positionsdaten (xreι(tn)) als auch Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) vom Positionsmeßsystem an die Auswerteeinheit (5) übertragen werden und die Bildung des Positionsdifferenzwertes (Δx) aus den übertragenen Daten (xreι(tn), (xabs(tn))) auf Seiten der Auswerteeinheit (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mit Hilfe des Positionsdifferenzwertes die Relativgeschwindigkeit zwischen den zueinander beweglichen Teilen - 16 -
in einem Abfrageintervall bestimmt wird, das der erstmaligen Übertragung von Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) vorhergeht.
10. Positionsmeßsystem zur Bestimmung der Relativposition zweier zuein- ander beweglicher Teile, das neben der seriellen Übertragung von inkrementalen Positionsdaten (xre,(tn)) an eine Auswerteeinheit (5) auch eine serielle Übertragung von Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) ermöglicht, sobald erstmalig eine bekannte, definierte Absolutposition der beiden zueinander beweglichen Teile erreicht ist, wobei auf Seiten des Positions- eßsystems (10) zwei Zähiereinheiten (1 , 2) angeordnet sind und eine erste Zählereinheit (1) ausgangsseitig die inkrementalen Positionsdaten (x.ei(tn)) liefert, während eine zweite Zählereinheit (2) ausgangseitig die Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) liefert.
11. Positionsmeßsystem nach Anspruch 10, wobei den beiden Zählereinheiten eine Signalverarbeitungseinheit (3) nachgeordnet ist, die gewährleistet, daß bei der erstmaligen Übertragung von Absolutpositionsdaten (xabs(U) e'ιn Positionsdifferenzwert (Δx) an die Auswerteeinheit (5) übertragbar ist, der die Differenz zwischen den zuletzt bestimmten inkre- mentalen Positiondaten und den erstmalig bestimmten Absolutpositionsdaten angibt.
12. Positionsmeßsystem nach Anspruch 10, wobei mit den inkrementalen Positionsdaten (xrβl(tn)) als auch mit den Absolutpositionsdaten (xabs(tn)) jeweils zugehöriges Identifizierungssignal (IS) an die Auswerteeinheit (5) übertragbar ist.
13. Positionsmeßsystem nach Anspruch 10, wobei zur Bestimmung einer Absolutposition mindestens eine Referenzmarkierung (22.1) auf dem Maßstab (20) der Positionsmeßeinrichtung (10) an einer definierten Absolutposition angeordnet ist. - 17 -
14. Positionsmeßsystem nach Anspruch 10, wobei zur Bestimmung einer Absolutposition mindestens zwei Referenzmarkierungen (32.4, 32.5) auf dem Maßstab (30) der Positionsmeßeinrichtung (10) mit einem eindeutig definierten Abstand (d45) zueinander angeordnet sind.
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