Positionsmessvorrichtung zum Ermitteln von Winkel- oder Längenpositionen
Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung zum Ermitteln von Winkel- oder Längenpositionen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Positionsmessvorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind hinlänglich bekannt. Solche Positionsmessvorrichtungen werden unter anderem auch als Winkelgeber, Längen- oder Winkelmesseinrichtungen bezeichnet und dienen dazu, eine Absolutposition innerhalb einer Strecke oder einen Absolutwinkel zu bestimmen.
Eine Längen- oder Winkelmesseinrichtung mit einer Maßverkörperung, die mehrere Spuren mit jeweils unterschiedlichen Teilungsperioden aufweist, ist zum Beispiel aus der DE 42 12 952 C2 bekannt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten
Positionsmessvorrichtungen eine weitere neuartige Positionsmessvorrichtung hinzuzufügen, die zur Ermittlung einer absoluten Position mit einer Maßverkδrperung auskommt, die weniger mit Teilungsstrichen versehene Spuren aufweist als der Stand der Technik.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, mit Hilfe des bekannten Nonius-Prinzips eine Maßverkörperung zu schaffen, die wenigstens drei Spuren mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl von Teilungsmarkierungen aufweist, wobei sich die Anzahl der Teilungsmarkierungen auf den Spuren untereinander nur geringfügig unterscheidet . Dies hat zur Folge, dass die zur Abtastung der Spuren eingesetzten Abtasteinrichtungen sich nur wenig voneinander
unterscheiden müssen. Darüber hinaus unterscheiden sich die Messsignalfrequenzen der Abtasteinrichtungen nur geringfügig, so dass Verzögerungszeiten in der Signalverarbeitung eine vernachlässigbare Rolle spielen. Dadurch, dass sich die Anzahl der Teilungsmarkierungen von Spur zu Spur nur gering unterscheiden, brauchen die Abtasteinrichtungen nur einen kleinen Teil der jeweiligen Spur abzudecken. Demzufolge können kleine
Abtasteinrichtungen benutzt werden, die integriert werden können .
Das oben genannte technische Problem löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Danach ist eine Positionsmessvorrichtung zum Ermitteln von Winkel- oder Längenpositionen vorgesehen, die eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln einer Winkel- oder Längenposition und eine Maßverkörperung aufweist, die wenigstens drei Spuren mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl von Teilungsmarkierungen enthält. Jeder Spur ist eine Abtasteinrichtung zugeordnet, die in Abhängigkeit von der Anzahl der Teilungsmarkierungen wenigstens ein entsprechendes Abtastsignal erzeugt. Die erste Spur weist N Teilungsmarkierungen, die zweite Spur N-l Teilungsmarkierungen und die dritte Spur
N-K 'Teilungsmarkierungen auf, wobei 1 < K < N ist. Mit Hilfe der bei Abtastung der ersten und dritten Spur erzeugten Abtastsignale erfolgt eine Unterteilung der Maßverkörperung in K identische Segmente. Mit Hilfe dieser virtuellen Unterteilung der Maßverkörperung ist es möglich, eine Feinbestimmung der- zu ermittelnden Position durchzuführen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch Verwendung von wenigstens drei Spuren und der erfindungsgemäßen Wahl von Teilungsmarkierungen auf den jeweiligen Spuren ist es möglich, die absolute Position in mehreren Schritten zu bestimmen. Hierzu ermittelt die Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von einer erfassten
Phasendifferenz zwischen den bei Abtastung der ersten und zweiten Spur erzeugten Abtastsignale einen groben Positions- oder Winkelwert, der das Segment kennzeichnet, innerhalb dessen die zu bestimmende Winkel- oder Längenposition liegt. Ferner ermittelt die
Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von einer erfassten Phasendifferenz zwischen den bei Abtastung der ersten, und dritten Spur erzeugten Abtastsignale einen ersten feinen Positionswert innerhalb des identifizierten Segmentes.
Aus dem groben Positionswert und dem ersten feinen Positionswert ermittelt die Auswerteeinrichtung anschließend die zu bestimmende Winkel- oder Längenposition .
Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern, kann die Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von dem bei Abtastung der ersten Spur erzeugten Abtastsignal einen zweiten feinen Positionswert ermitteln. Der zweite feine Positionswert wird zusammen mit dem groben Positionswert und dem ersten feinen Positionswert verwendet, um einen Absolutwert für die zu bestimmende Winkel- oder Längenposition zu ermitteln.
Die Abtasteinrichtungen können optische, magnetische, induktive oder kapazitive Sensoren enthalten. Bei Verwendung eines optischen Sensors enthält die Abtasteinrichtung als Sendeteil eine geeignete Lichtquelle.
Jede Abtasteinrichtung ist vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass sie beim Abtasten einer jeweiligen Spur ein Kosinus- und ein Sinussignal entsprechend der Anzahl an Teilungsmarkierungen erzeugt. Jeder Abtasteinrichtung ist eine Einrichtung zum Ermitteln digitaler Codewörter, die Winkelwerten entsprechen, zugeordnet. Die digitalen Codewörter werden dann zur Ermittlung der Phasendifferenzwerte Subtrahierern zugeführt, deren AusgangsSignale der Auswerteeinrichtung übergeben werden.
Vorzugsweise weist die Ermittlungseinrichtung eine Einrichtung auf, die aus den jeweiligen Kosinus- und Sinussignalen den Arcustangens berechnet. Der Arcustangens, die groben Positionswerte und die feinen Positionswerte können in einem Analog-/Digital-Wandler in digitale, mehrstellige Codewδrter umgesetzt werden.
Soll die Positionsmessvorrichtung als Winkelgeber fungieren, enthält die Maßverkörperung beispielsweise wenigstens drei Zahnräder, deren Zähne die Teilungsmarkierungen darstellen.
Alternativ kann die Maßverkörperung eine Codescheibe mit wenigstens drei Spuren, die jeweils eine unterschiedliche Anzahl von .Teilungsmarkierungen aufweisen, enthalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Positionsmessvorrichtung, in der eine Nonius- Interpolation mit drei Zahnrädern angewendet wird,
Fig.
2a-2i drei Zahnräder der in Fig. 1 gezeigten Positionsmessvorrichtung, die bei Abtastung der Zahnräder entstehenden analogen Abtastsignale und den Verlauf des aus den Abtastsignalen berechneten, digitalen Arcustangens,
Fig.
3a-3d die grafische Darstellung der Phasendifferenzwerte ßi, ß2, des Absolutwinkels φ sowie die Zusammenstellung des digitalen Codewortes des Absolutwinkels φ, Fig. 4 eine beispielhafte Maßverkörperung aus drei Spuren, mit deren Hilfe eine Nonius-Interpolation zur Ermittlung einer absoluten Längenposition möglich ist.
In Fig. 1 ist als Positionsmessvorrichtung ein beispielhafter Winkelgeber 10 dargestellt.
Der Winkelgeber 10 weist drei auf einer Welle 20 angeordnete Zahnräder 31, 32 und 33 auf, die als Maßverkörperung 30 dienen. Die Welle 20 ist drehbar in einem Lager 40 gelagert. Die Zahnräder 31, 32 und 33 können, müssen aber nicht (siehe Fig. 2a, 2d, 2g), den gleichen Durchmesser aufweisen. Das Zahnrad 31, dessen absolute Winkelposition ermittelt werden soll, enthält beispielsweise sechzehn Zähne, das Zahnrad 32 enthält fünfzehn Zähne, wohingegen das Zahnrad 33 zwölf Zähne enthält. Die Zähne können als Teilungsmarkierungen der jeweiligen Zahnräder betrachtet werden. Jedem Zahnrad ist eine Abtasteinrichtung zugeordnet. Im Einzelnen ist dem Zahnrad 31 beispielsweise ein Permanentmagnet 50 sowie ein magnetischer Sensor 55 zugeordnet. Dem Zahnrad 32 ist ein Permanentmagnet 60 und ein magnetischer Sensor 65
zugeordnet, während dem Zahnrad 33 ein Permanentmagnet 70 und ein magnetischer Sensor 75 zugeordnet ist. Die magnetischen Sensoren oder Detektoren 55, 65 und 75 sind derart ausgebildet, dass sie beim Abtasten der jeweiligen Zahnräder ein Kosinus- und Sinussignal erzeugen. Die bei Abtastung der Zahnräder erzeugten Kosinus- und Sinussignale sind in den Fig. 2b, 2e und 2h dargestellt, wobei die Amplitude über den Drehwinkel φ aufgetragen ist . Mit anderen Worten zeigen die in den Fig. 2b, 2e und 2h dargestellten Kurvenverläufe die Abtastsignale bei einer vollständigen Umdrehung der Zahnräder.
Die Kosinus- und Sinussignale der magnetischen Sensoren 55, 65 und 75 können einer Recheneinheit 80, 82 bzw. 84 zugeführt werden, die den Arcustangens aus den jeweiligen kosinus- und sinusförmigen Abtastsignalen berechnet. Die Arcustangenswerte der Recheneinheiten 80, 82 und 84 werden A/D- andlern 90, 92 bzw. 94 zugeführt, die die analogen Winkelwerte beispielsweise in dreistellige digitale Codeworte umsetzen. Am A/D-Wandler 90 liegt ein Winkelwert oci als digitales, dreistelliges Wort vor. Am Ausgang des Analog-/Digitalwandlers 92 liegt ein Winkelwert α2 als digitales, dreistelliges Wort vor, wohingegen am Analog- /Digitalwandler 94 ein Winkelwert 3 als digitales, ■ dreistelliges Wort anliegt. Der Verlauf der Winkelwerte αi , α2 und α3 über eine vollständige Umdrehung der Zahnräder ist in den Fig. 2c, 2f und 2i dargestellt. Die AusgangsSignale der Analog-/Digitalwandler 90.und 94 sind mit einem Subtrahierer 100 verbunden, der beispielsweise einen zweistelligen, digitalen Phasendifferenzwert ßi = αi - α3 liefert. Die Ausgänge der Analog-/Digitalwandler 90 und 92 sind mit den Eingängen eines zweiten Subtrahierers 110 verbunden, der ausgangsseitig einen zweistelligen,
digitalen Phasendifferenzwert ß2 = x - α2 liefert. In Fig. 3a ist der Verlauf des Phasenifferenzwertes ßx 100 dargestellt, während Fig. 3b den Verlauf des Phasendifferenzwertes ß2 über eine vollständige Umdrehung der Zahnräder zeigt. Die Ausgänge der Substrahierer 100 und 110 sowie optional der Ausgang des Analog-/Digitalwandlers 90 sind mit einer Auswerteeinrichtung 120 verbunden, die aus den Phasendifferenzwerteri ßx, ß2 und αi den zu messenden absoluten Positionswert φ ausgibt. Der von der Auswerteeinrichtung 120 ermittelte Winkelwert φ entspricht der absoluten Winkelposition des Zahnrades 31 bezüglich eines vorher festgelegten Bezugswertes. Im Einzelnen berechnet die Auswerteeinrichtung 120 zunächst einen digitalen, zum Beispiel 7-stelligen Wert und gibt entsprechend der Darstellung in Fig. 3c den dazugehörenden absolute Winkel φ aus .
Fig. 3d zeigt ein beispielhaftes Schema, nach dem die Auswerteeinrichtung 120 den 7-stelligen, dem Absolutwinkel φ entsprechenden Wert, aus den Werten ßx, ß2 und α.ι zusammensetzen kann.
Fig. 4 zeigt eine Maßverkδrperung 130, die bei einem nicht dargestellten Längenmessgerät Verwendung finden kann. Die Maßverkörperung 130 weist drei Spuren 140, 150 und 160 auf.
Es ist leicht zu- erkennen, dass die Maßverkörperung 130 anstelle der drei Zahnräder 31, 32 und 33 in die in Fig. 1 dargestellte Positionsmessvorrichtung 10 eingesetzt werden kann. In diesem Fall sind die auf der Welle 20 angeordneten
Zahnräder durch die Maßverkörperung 130 zu ersetzen. Ferner können die Permanentmagnete 50, 60 und 70 durch Lichtquellen und die magnetischen Sensoren 55, 65 und 75
durch optische Sensoren ersetzt werden. Der Spur 150 sind dann eine Lichtquelle und ein optischer Sensor zugeordnet, die den Permanentmagneten 50 bzw. den magnetischen Sensor 55 ersetzt haben. Der Spur 160 sind dann eine Lichtquelle und ein optischer Sensor zugeordnet, die den
Permanentmagneten 60 bzw. den magnetischen Sensor 65 ersetzt haben. Der Spur 140 sind dann eine Lichtquelle und ein optischer Sensor zugeordnet, die den Permanentmagneten 70 bzw. den magnetischen Sensor 75 ersetzt haben. Im Übrigen kann der Aufbau der Positionsmessvorrichtung 10 unverändert bleiben.
Analpg der Anzahl der Zähne der in den Fig. 2a, 2d und 2g dargestellten Zahnräder 31, 32 und 33 weist die Spur 140 zwölf Teilstriche, die Spur 150 sechzehn und die Spur 160 fünfzehn Teilstriche auf.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Positionsmessvorrichtung 10 näher erläutert.
Mit der in Fig. 1 dargestellten Positionsmessvorrichtung 10 soll beispielsweise der Absolutwinkel φ des Zahnrades 31 bezüglich einer. Referenzstellung ermittelt werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Positionsmessvorrichtung 10 bedient sich einer Nonius-Interpolation, welche beispielsweise bei einer Schieblehre Anwendung findet. Als Nonius versteht man allgemein einen Hilfsmaßstab, mit dessen Hilfe Bruchteile einer Längen- oder Winkeleinheit ermittelt werden können. Bekanntermaßen kann mit Hilfe eines Nonius die Auflösung einer Schieblehre von einem Millimeter beispielsweise auf 1/10 mm verfeinert werden. Die Nonius-Interpolation wird mit Hilfe der Zahnräder 31 und 32 ermöglicht. Die Anzahl der Zähne der Zahnräder 31
und 32 unterscheiden sich lediglich um Eins. Das Zahnrad 31 weist beispielsweise sechzehn Zähne auf, wohingegen das Zahnrad 32 fünfzehn Zähne aufweist. Mit anderen Wort ist das Zahnrad 31 in sechzehn Kreissegmente unterteilt, die jeweils einen Winkel von 360°/l6, also 22,5°, einschließen. Die Zähne der Zahnräder 31, 32 und 33 können als Teilungsstriche interpretiert werden, die den Umfang der Zahnräder in eine entsprechende Anzahl von Teilungsperioden unterteilen.
Wie bereits erwähnt, liefert der magnetische Detektor 55 beim Abtasten des Zahnrades 31 ein in Fig. 2b dargestelltes Sinus- und KosinusSignal, welches bei einer Drehung des Zahnrades 31 um 360° sechzehn Teilungsperioden enthält. In ähnlicher Weise liefert der magnetische Detektor 65 beim Abtasten des Zahnrades 32 ein fünfzehn Teilungsperioden enthaltendes Kosinus- und Sinussignal, welches über eine vollständige Umdrehung des Zahnrades 32 in Fig. 2e dargestellt ist. Die Rechner 80 und 82 zählen die Anzahl der Teilungsperioden, die einem bestimmten Drehwinkel φ der Zahnräder 31 und 32 entsprechen, und berechnen aus den jeweiligen Kosinus- und Sinussignalen den Arcustangens, der in digitalisierter Form in den Fig. 2c und 2f dargestellt ist .
Die in Fig. 2c und Fig. 2f dargestellten Kurvenverl ufe entsprechend den an den Analog-/Digitalwandlern 90 und 92 anliegenden Winkelwerte x bzw. α2. Der Subtrahierer 110 liefert als Ausgangssignal den Phasendifferenzwert ß2, welcher beim Abtasten der Zahnräder 31 und 32 entsteht. Der Phasendifferenzwert ß2 ist in Fig. 3b über eine vollständige Umdrehung beider Zahnräder 31 und 32 dargestellt .
Mit Hilfe der Phasendifferenz ß2 lässt sich der zu messende
Absolutwinkel φ des Zahnrades 31 jedoch nur grob ermitteln.
Um den zu messenden Absolutwinkel φ genauer berechnen zu können, wird das Zahnrad 33 verwendet, welches beispielsweise zwölf Zähne aufweist. Beim Abtasten des Zahnrades 33 liefert der magnetische Detektor 75 ein Kosinus- und Sinussignal, aus dem die Recheneinheit 94 den Arcustangens bildet. Der Arcustangens ist in digitaler Darstellung in Fig. 2i dargestellt.
Angemerkt sei, dass durch die Wahl der Anzahl von Zähnen der Zahnräder 31 und 33 festlegt wird, in wie viele „virtuelle" Segmente das Zahnrad 31 unterteilt wird. Im vorliegenden Fall beträgt die Differenz zwischen den Zähnen der Zahnräder 31 und 33 vier, so dass das Zahnrad 31 in vier identische virtuelle Segmente unterteilt wird. Fig. 3a zeigt den Verlauf des Phasendifferenzwertes ßi über eine vollständige Umdrehung der Zahnräder 31 und 33. Man sieht leicht, dass jeder Phasendifferenzwert ßi sich während einer vollständigen
Umdrehung der Zahnräder 31 und 33 viermal wiederholt. Der Kurvenverlauf des Phasendifferenzwertes ßi spiegelt somit die Unterteilung des Umfangs des Zahnrades 31 in vier virtuelle Segmente wider. Mit anderen Worten liefert die Abtastung der Zahnräder 31 und 33 -eine viermal höhere
Winkelauflδsung als die Abtastung der Zähnräder 31 und 32. Denn gemäß Fig. 3a wird ein Winkelbereich von 0 bis 90° auf vier zweistellige Codewörter abgebildet, während nach Fig. 3b ein Winkelbereich von 0 bis 360° auf vier zweistellige Codewδrter abgebildet wird.
Die Auswerteeinrichtung 120 ist derart ausgebildet, dass sie, abstrakt gesprochen, den ermittelten
Phasendifferenzwert ß2, der grob dem zu messenden Absolutwinkel φ entspricht und in Fig. 3b eingetragen ist, verwendet, um das virtuelle Segment auf dem Zahnrad 31 zu finden, innerhalb dessen der zu messende Absolutwinkel zu finden ist. In dem vorliegenden Fall befindet sich der zu bestimmende Absolutwinkel in dem zweiten Segment des Zahnrades 31. Wie in den Fig. 3a und 3b dargestellt, entspricht der ermittelte Phasendifferenzwert ß2 dem binären Codewort 01 und der dazugehörende Phasendifferenzwert ßi dem binären Codewortert 11. In der
Auswerteeinrichtung 120 werden die zweistelligen Codewörter der Phasendifferenzwerte ß2 und ßx hintereinander angeordnet, so dass sich als Absolutwinkel ein Wert ergibt, der dem digitalen Codewortort Olli entspricht. Um eine noch präzisere Angabe des Absolutwinkels φ zu erhalten, kann der vom Analog-/Digitalwandler 90 an die Auswerteeinrichtung 120 gelieferte Winkelwert aλ verwendet werden. Das zum ermittelten Winkelwert αi gehörende dreistellige Codewort lässt sich in Verbindung mit dem in Fig. 2c dargestellten Kurvenverlauf bestimmen. Das dreistellige Codewort, zum
Beispiel 100, wird an das Codewort Olli angefügt, so dass das siebenstellige Absolut-Codewort 0111100 entsteht, welches dem zu messenden Absolutwinkel entspricht. Angemerkt sei, dass das dem Phasendifferenzwert ß2 entsprechende Codewort 01 die hδherwertigsten Bits innerhalb des Absolut-Codeworts bildet und somit eine Grobbestimmung des zu messenden Absolutwinkels liefert, während das dem Phasendifferenzwert ßx entsprechende Codewort 11 und das dem Winkel O entsprechende Codewort 100 die niederwertigen Bits innerhalb des Absolut-Codeworts bilden und somit jeweils eine Feinbestimmung des zu messenden Absolutwinkels liefern.
Das auf diese Weise von der Auswerteeinrichtung 120 erzeugte Absolut-Codewort des Absolutwinkels φ ist in Fig. 3d schematisch dargestellt.
Weitere schaltungstechnische Realisierungen zur Bestimmung der Phasendifferenzen zwischen den Kosinus- und Sinussignalen, die beim Abtasten der Zahnräder 31, 32 und 33 von den jeweiligen optischen Detektoren 55, 65 und 75 geliefert werden, sind hinlänglich bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung. Das Gleiche gilt für die
Auswerteeinrichtung 120, die nach allgemein bekannten
Methoden aus den Phasendifferenzwerten ß2 und ßi und dem
Winkel αx das Absolut-Codewort des zu messenden
Absolutwinkels φ berechnen kann.
Mit Hilfe der Positionsmessvorrichtung 10 nach Fig. 1 ist es möglich, die Anforderungen an die Rechengenauigkeit zu verringern, das heißt einen größeren zulässigen Phasenfehler zu akzeptieren. Grundsätzlich beträgt der maximal zulässige Phasenfehler 180°/N, wobei N im vorliegenden Beispiel die Anzahl der Zähne des Zahnrades 31 ist. Der Einsatz eines weiteren Zahnrades 33 mit N-K Zähnen ermöglicht es nunmehr, den maximal zulässigen Phasenfehler zu vergrößern, und zwar auf 180°/ (K) . Im vorliegenden Fall ist K = 16-12 = 4. Der Phasenfehler kann somit maximal 45° betragen.
Die in den Fig. 2b, c, e, f, h und i und 3a bis 3c dargestellten Kurvenverläufe ergeben sich auch in dem Fall, dass die Positionsmessvorrichtung 10 anstelle der
Maßverkörperung 30 mit drei Zahnrädern die in Fig. 4 gezeigte Maßverkörperung 130 verwendet. Eine solche Positionsmessvorrichtung fungiert als Längenmesseinrichtung .
Das Abtasten der Spuren 160 und 150 führt zu der in Fig. 3b gezeigten Phasendifferenz ß2 zwischen den Kosinus- und SinusSignalen, die durc die optischen Detektoren erzeugt worden sind, die die magnetischen Detektoren 55 und 65 ersetzt haben. Die Phasenwerte entsprechen einem groben
Winkelwert zwischen 0° und 360°. Dieser Winkelwert wiederum entspricht einer bestimmten Länge auf der Maßverkörperung 130. Ein Abtasten der Spuren 150 und 140 führt zu einem
Verlauf der Phasendifferenz ßi zwischen den Kosinus- und SinusSignalen, die durch die optischen Detektoren 55 und 75 erzeugt worden sind, die die magnetischen Sensoren 55 und 75 ersetzt haben. Der Phasenwert ßx ist in Fig. 3a dargestellt. Die Darstellung in Fig. 3a spiegelt die Unterteilung der Maßverkörperung 130 in vier identische „virtuelle,, Segmente wider. Diese Unterteilung der
Maßverkörperung 130 ist ebenfalls in Fig. 4 anhand des Kurvenverlaufs 170 grafisch dargestellt. Da die Funktionsweise der Positionsmessvorrichtung 10 mit der Maßverkörperung 130 der Funktionsweise der Positionsmessvorrichtung 10 mit der Maßverkδrperung 30 entspricht, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.