WO2006069925A1 - Messelement und messverfahren mit einer spur zur bestimmung einer lage - Google Patents

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WO2006069925A1 PCT/EP2005/056866 EP2005056866W WO2006069925A1 WO 2006069925 A1 WO2006069925 A1 WO 2006069925A1 EP 2005056866 W EP2005056866 W EP 2005056866W WO 2006069925 A1 WO2006069925 A1 WO 2006069925A1
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Roland Finkler
Hans-Georg KÖPKEN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales

Definitions

  • the invention relates to a measuring element with a track, wherein the track has a material measure. Furthermore, the invention relates to a related measurement method.
  • a position in particular an absolute position ei ⁇ ner machine axis, for example in a machine tool, production ⁇ tion machine and / or a robot encoders are used.
  • the position that is a measuring element, which element as a linear EIe- or may exist as a rotatory element, the measuring element having one or more tracks having a respective degree ⁇ embodiment in the form of increments of Sensors are scanned to determine the position.
  • European Patent EP 0 503 716 B1 discloses an encoder for determining an absolute position, wherein a commercially available absolute track and an incremental track are combined into a single composite track, wherein the measuring graduation is designed in such a way that the individual increments of the material measure are pseudo-neutral. are distributed randomly. The disadvantage is that usually 8 and more sensors are needed to determine the situation. From the publication "The Transformation Measurement Method - A Contribution to the Design of Absolute Measuring Systems", Uwe Kippung, TU Chemnitz, 1997, Dissertation, page 11, a length measuring system from the company RSF-Elektronik from 1992 is known, in which an incremental track and an absolute track can be used to determine a location.
  • the object of the present invention is to specify a simple measuring element and a simple measuring method for determining a position, in particular an absolute position.
  • a measuring element with a track, wherein the track has a material measure, which is scanned by at least two sensors for determining a position, wherein the material measure is formed such that the sensors as a respective output signal a modulated sinusoidal track signal for determining spend the situation.
  • a measuring method with a track, wherein the track has a material measure, which is scanned by at least two sensors for determining a position, wherein the material measure is formed such that from the sensors as a respective output signal a modulated sinusoidal track signal for Determine the situation.
  • the modulated sinusoidal track signal is frequency modulated. The situation can then be determined particularly accurately.
  • the modulated ⁇ sinusoidal sinusoidal signal is frequency modulated such that with increasing position, the frequency of the track signal increases monotonically or monotonically.
  • the location can then particularly a ⁇ be determined once.
  • the modulated sinusoidal track signal is amplitude-modulated.
  • the position can be determined very precisely in a particularly simple manner.
  • the present invention it proves to be advantageous if the transformer ⁇ body is scanned by at least three sensors for determining a position, since then the situation can always be clearly ⁇ be determined. Furthermore, it proves to be advantageous if the measuring ⁇ element is formed in the form of a rotationally symmetric element whose outer contour has a frequency-modulated si ⁇ nusförmige shape. If it is necessary for mechanical constructive reasons during the measurement the scanning head and / or the measuring element in rotation around the Rotati ⁇ onsachse of the sensing element to turn, this has as a result of the special design of the measuring element, no influence on the measurement and thus to the Determination of the situation.
  • encoders having the measuring element according to the invention are required.
  • a rough position is determined in which in a first step from the track signals from the sensors and determining the location in a second step by means of interpolation using the coarse position.
  • the position can be determined in a particularly simple manner.
  • FIG. 1 shows a measuring element according to the invention
  • FIG. 2 shows a track signal according to the invention
  • 3 shows a further frequency-modulated according to the invention
  • Track signal, 4 shows another frequency-modulated according to the invention
  • Track signal, 5 shows a locus
  • FIG. 7 shows an amplitude-modulated track signal
  • FIG. 8 shows a further measuring element according to the invention with a scanning head.
  • a measuring element 2 according to the invention is shown in the form of a schematic representation.
  • the measuring element 2 has a track 3, which has a material measure.
  • the material measure consists in the embodiment
  • Increments I 1 to I k which are scanned by sensors S 1 to S n for determining a position z.
  • Each increment Ii to I k has two regions magnetized in opposite directions (the separation of the individual regions is shown in FIG. 1 by a dashed line).
  • the sensors S 1 to S n are arranged on a scanning head 1 and have with respect to a zero point AO of the scanning head, the distances ai to a n .
  • the position z indicates the distance from the zero point MO of the measuring element 2 to the zero point AO of the scanning head.
  • measurement element 2 is a so-called linear measuring element, that is, the position ei ⁇ ner linear movement is measured.
  • the scanning head 1 thereby moves in the direction of the double arrow over the measuring element 2 along in a uniform distance and the position z is measured by at least two sensors (eg, the sensors Sl and S2) formed in the embodiment as Magneti ⁇ cal sensors are scanning the magnetic field generated by the increments I 1 to Ik.
  • the sensors Sl and S2 formed in the embodiment as Magneti ⁇ cal sensors are scanning the magnetic field generated by the increments I 1 to Ik.
  • the measuring scale of the measuring element of the invention Unlike a commercially available material measure in which all increments in general a constant period length L 1 to L k aufwei ⁇ sen, has the measuring scale of the measuring element of the invention according to Embodiment increments on whose perio den dairyn Li to L k with increasing position z decrease (Alternatively, the measuring standard may also be designed so that the material measure comprises increments whose period lengths Li to L k with increasing position for increasing or their cycle lengths L x and L k simply different values accept) .
  • the output signal of the sensor is a frequency-modulated sinusoidal so-called track signal with decreasing period length, ie increasing frequency, the lengths being the period lengths L x to L k .
  • FIG. 2 a track signal f (z) generated by the sensor Si as an output signal is shown.
  • each of the sensors Si to S n outputs as output a respective modulated sinusoidal track signal f (z) mathematically described by the tracking function f (z), the nth sensor being the signal.
  • the track signal f (z) is frequency-modulated.
  • An example of the track signal f (z) according to the invention is shown in FIG.
  • a first approximate value in the form of a coarse layer for the position z to be determined is first determined by a coarse evaluation from the sensor signals by determining one or more auxiliary quantities. By a subsequent fine evaluation by In ⁇ terpolation the position z is then determined exactly.
  • L (z): L k for J ⁇ L ⁇ ⁇ z ⁇ J ⁇ L ⁇ (51010b) with positive, pairwise different period lengths Li, L 2 , ..., L ⁇ , given (see FIG. 3).
  • the scanning head 1 according to FIG 1 has at least two Sen ⁇ sors, whose distance a 2 -ai is very small compared to the occurring period lengths, ie
  • Possible Solution 2 In the scanning head 1, at least two further sensors are provided whose distance a 4 -a 3 is also very small in comparison to the occurring period lengths and evaluates the quantities corresponding to the first two sensors
  • the scanning head 1 according to FIG. 1 has at least one Two sensors whose distance a 2 -ai is not very small compared to the occurring period lengths
  • the track signal is given by
  • the first sensor supplies the track signal x and the second sensor supplies the track signal y
  • ⁇ : (1 + z / c) 2 ⁇ z / L
  • ⁇ : [(2 z + L / 4) / c] ⁇ / 2.
  • the angle ⁇ can be determined from the measured values x, y up to multiples of 2 ⁇ and thus up to multiples of L, i. It is true that the position can be determined within a period L, not over the period itself. But if one chooses 0 ⁇ c ⁇ , the period can be determined, as will be shown below.
  • Equation (52055b) after z i.
  • the solution sought is exactly the one for which these values are identical to the actual measured values x, y.
  • Solution Option 1 According to the previous exporting ⁇ approximately example.
  • Equation (52055b) for all occurring z is less than ⁇ / 2, typically less than ⁇ / 3.
  • equation (52270) In contrast to equation (52270), this value is unique, but numerically not so exact, because it comes from the rough evaluation comes. Accordingly, it is here only used the parameter k to determine as in equation (52270) that ⁇ the ⁇ according to equation (52270) according to equation (52275) is most Next Tier ⁇ th, and determines with this k the exact value of ⁇ according to equation (52270).
  • Z 0 be the value found by the rough evaluation for the sought-after position z.
  • znextx min (Z 0 ) and znextxmax (z 0 ) denote the local minimum and the local one
  • ⁇ nex txmax (Z 0 ): m ⁇ + ⁇ / 2, if m is even,
  • this method can also be formulated for the measured value y instead of x.
  • the track signal f (z) is in this case by
  • B (z) B n for (n-1) L ⁇ z ⁇ n L (B ni ⁇ B n2 for nl ⁇ n2) (53020)
  • the tracking signal f (z) is made in the ⁇ sem case of a number of successive sine periods of equal period length, but different amplitudes together.
  • lower curve the resulting track ⁇ signal f (z) is shown.
  • the scanning head 1 has here in the context offindsbei ⁇ game on at least three sensors whose relative position to ⁇ each other
  • the coarse position is determined (coarse evaluation). For fine ⁇ evaluation one determines further
  • FIG 8 is an example of another possible Ausges ⁇ lay out your measuring element according to the invention 2, of a scanning head 1, which moves in the direction of the double arrow along the measuring element 2 and the measuring standard samples shown.
  • the material measure is realized by the 3-dimensional contour of the measuring element.
  • the Messele ⁇ ment is implemented here in the form of a rotationally symmetric element, in particular a rack, the outer tooth-shaped contour has a frequency modulated sinusoidal shape ⁇ .
  • the scanning head 1 has a permanent magnet and magnetic sensors.
  • a frequency-modulated sinusoidal output signal is generated as a track signal. Since the metrical ⁇ African mapping of the contour of the measuring element 1 in the track signal usually has a low-pass characteristic, an amplitude modulation of the contour of the measuring element 2 is additionally performed such that the amplitude of the track signal generated by the respective sensor is constant ,
  • the outer contour of the rack has a course in which the tooth heights and depths of the contour are greater, the shorter the respective teeth / tooth gaps are.
  • the measuring element 2 and the material measure 3 can also be used as rotatory elements (eg in the form of a round disc ) are present for detecting a rotational movement. In doing so, it is customary, e.g. in an encoder, the scanning head stationary carried out while the dimensional element with the material measure rotates under the scanning head.
  • optical sensors and the measuring scale are used in accordance with ⁇ walls to form, for example, optical increments.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messelement (2) und ein Messverfahren mit einer Spur (3), wobei die Spur (3) eine Maßverkörperung (I1-Ik) aufweist, die von mindestens zwei Sensoren (S1-Sn) zur Bestimmung einer Lage (z) abgetastet wird, wobei die 10 Maßverkörperung (I1-Ik) derart ausgebildet ist, dass die Sensoren (S1-Sn) als jeweiliges Ausgangssignal ein moduliertes sinusförmiges Spursignal (f(z)) zur Bestimmung der Lage (z) ausgeben. Die Erfindung schafft ein einfaches Messelement und ein einfaches Messverfahren zur Bestimmung einer Lage, insbesondere einer Absolutlage.

Description

Beschreibung
Messelement und Messverfahren mit einer Spur zur Bestimmung einer Lage
Die Erfindung betrifft ein Messelement mit einer Spur, wobei die Spur eine Maßverkörperung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein diesbezügliches Messverfahren.
Zur Bestimmung einer Lage insbesondere einer Absolutlage ei¬ ner Maschinenachse, z.B. bei einer Werkzeugmaschine, Produk¬ tionsmaschine und/oder einem Roboter werden Geber eingesetzt. Dabei weisen handelsübliche Geber zur Detektion der Lage, d.h. der Position ein Messelement auf, das als lineares EIe- ment oder als rotatorisches Element vorliegen kann, wobei das Messelement eine oder mehrere Spuren mit eine jeweiligen Ma߬ verkörperung in Form von Inkrementen aufweist, die von Sensoren zur Bestimmung der Lage abgetastet werden.
Aus der europäischen Patentschrift 0 116 636 Bl ist ein Geber bekannt, bei dem über eine so genannte PRBS-Spur, die Inkre- mente in Form von „Nullen" und „Einsen" aufweist, eine Abso¬ lutlage ermittelt wird. Eine zusätzliche Feinauflösung der Absolutlage erfolgt über eine Detektion der Position der Ü- bergänge der Inkremente. Hierbei tritt der Nachteil auf, dass zum einen eine zusätzliche Sensorik für die Detektion der Ü- bergänge notwendig ist und zum anderen üblicherweise 8 und mehr Sensoren zur Bestimmung der Lage notwendig sind.
Aus der europäischen Patentschrift EP 0 503 716 Bl ist ein Geber zur Bestimmung einer Absolutlage bekannt, wobei eine handelsübliche Absolutspur und eine Inkrementalspur zu einer einzigen zusammengesetzten Spur kombiniert sind, wobei die Maßverkörperung derart gestaltet ist, dass die einzelnen In- kremente der Maßverkörperung pseudo-zufällig verteilt sind. Dabei tritt der Nachteil auf, dass üblicherweise 8 und mehr Sensoren benötigt werden um die Lage ermitteln zu können. Aus der Druckschrift "Das Transformationsmessverfahren - Ein Beitrag zur Gestaltung von Absolutmesssystemen", Uwe Kippung, TU Chemnitz, 1997, Dissertation, Seite 11, ist ein Längen- messsystem der Firma RSF-Elektronik aus dem Jahre 1992 be- kannt, bei dem eine Inkrementalspur und eine Absolutspur zur Bestimmung einer Lage verwendet werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 27 29 697 Al ist das Grundprinzip eines sin/cos-Gebers bekannt.
Aus der deutschen Patenanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2004 004 099.0 ist ein Positionssensor und entsprechendes Verfahren zum Detektieren der Position eines Rotationskörpers bekannt.
Aus der deutschen Patenanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2004 004 100.8 ist ein weiterer Positionssensor und entsprechendes Verfahren zum Detektieren der Position eines Rotationskörpers bekannt.
Aus der Veröffentlichung „Drehsensor für einen Kombinationsantrieb", www.ip.com, IPCOM000028605D, Christof Nolting, Hans-Georg Köpken, Günter Schwesig, Rainer Siess, ist ein Drehsensor für einen Kombinationsantrieb bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein einfaches Messelement und ein einfaches Messverfahren zur Bestimmung einer Lage, insbesondere einer Absolutlage anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst, durch ein Messelement mit einer Spur, wobei die Spur eine Maßverkörperung aufweist, die von mindestens zwei Sensoren zur Bestimmung einer Lage abgetastet wird, wobei die Maßverkörperung derart ausgebildet ist, dass die Sensoren als jeweiliges Ausgangssignal ein moduliertes sinusförmiges Spursignal zur Bestimmung der Lage ausgeben. Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Messverfahren mit einer Spur, wobei die Spur eine Maßverkörperung aufweist, die von mindestens zwei Sensoren zur Bestimmung einer Lage abgetastet wird, wobei die Maßverkörperung derart ausgebildet wird, dass von den Sensoren als jeweiliges Ausgangssignal ein moduliertes sinusförmiges Spursignal zur Bestimmung der Lage ausgeben wird.
Das erfindungsgemäße Messelement und das erfindungsgemäße Messverfahren weisen den Vorteil auf, dass gegenüber dem
Stand der Technik wesentlich weniger Sensoren zur Bestimmung der Absolutlage benötigt werden. Weiterhin wird nur eine ein¬ zelne Spur zur Bestimmung der Absolutlage benötigt und es wird auch keine Sensorik für Detektion von Übergängen der In- kremente bei dem erfindungsgemäßen Messelement und dem erfindungsgemäßen Messverfahren benötigt.
Es erweist sich dabei als vorteilhaft, wenn das modulierte sinusförmige Spursignal frequenzmoduliert ist. Die Lage kann dann besonders genau ermittelt werden.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das modulier¬ te sinusförmige Spursignal derart frequenzmoduliert ist, dass mit zunehmender Lage die Frequenz des Spursignals monoton steigt oder monoton fällt. Die Lage kann dann besonders ein¬ fach ermittelt werden.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das modulierte sinusförmige Spursignal amplitudenmoduliert ist. Im Falle ei- nes amplitudenmodulierten Signals kann auf besonders einfache Art und Weise die Lage sehr genau bestimmt werden.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Maßver¬ körperung von mindestens drei Sensoren zur Bestimmung einer Lage abgetastet wird, da dann die Lage immer eindeutig be¬ stimmt werden kann. Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn dass das Mess¬ element in Form eines rotationssymmetrischen Elements ausgebildet ist, dessen äußere Kontur eine frequenzmodulierte si¬ nusförmige Form aufweist. Wenn es aus mechanischen konstruk- tiven Gründen erforderlich ist während der Messung den Abtastkopf und/oder das Messelement rotatorisch um die Rotati¬ onsachse des Messelements zu drehen, so hat dies infolge der speziellen Ausbildung des Messelements, keinen Einfluss auf die Messung und damit auf die Bestimmung der Lage.
Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Geber mit dem erfindungs¬ gemäßen Messelement auszubilden, da unter anderem der Geber, weil bei der Erfindung nur eine einzelne Spur zu Erfassung der Lage benötigt wird, sehr kompakt ausgebildet sein kann.
Besonders auf dem technischen Gebiet der Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder der Roboter werden Geber die das erfindungsgemäße Messelement aufweisen benötigt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Bestim¬ mung der Lage erfolgt, in dem in einem ersten Schritt aus den Spursignalen der Sensoren eine Groblage bestimmt wird und in einem zweiten Schritt mittels Interpolation unter Verwendung der Groblage die Lage bestimmt wird. Hierdurch kann auf be- sonders einfache Art und Weise die Lage bestimmt werden.
Vorteilhafte Ausbildungen des Messelements ergeben sich ana¬ log zu vorteilhaften Ausbildungen des Messverfahrens und umgekehrt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zei¬ gen:
FIG 1 ein erfindungsgemäßes Messelement, FIG 2 ein erfindungsgemäße Spursignal, FIG 3 ein weiteres frequenzmoduliertes erfindungsgemäßes
Spursignal, FIG 4 ein weiteres frequenzmoduliertes erfindungsgemäßes
Spursignal, FIG 5 eine Ortskurve
FIG 6 zwei weitere frequenzmodulierte erfindungsgemäße
Spursignale von zwei Sensoren,
FIG 7 ein amplitudenmoduliertes Spursignal und FIG 8 ein weiteres erfindungsgemäßes Messelement mit Ab- tastkopf.
In FIG 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung ein erfindungsgemäßes Messelement 2 dargestellt. Das Messelement 2 weist eine Spur 3 auf, die eine Maßverkörperung aufweist. Die Maßverkörperung besteht in dem Ausführungsbeispiel aus
Inkrementen I1 bis Ik, die von Sensoren S1 bis Sn zur Bestimmung einer Lage z abgetastet werden. Jedes Inkrement Ii bis Ik weist dabei zwei entgegengesetzt magnetisierte Bereiche (Die Trennung der einzelnen Bereiche ist in FIG 1 durch eine gestrichelte Linie dargestellt) auf. Die Sensoren S1 bis Sn sind auf einem Abtastkopf 1 angeordnet und weisen gegenüber einem Nullpunkt AO des Abtastkopfes, die Abstände ai bis an auf. Die Lage z gibt die Entfernung vom Nullpunkt MO des Messelements 2 zum Nullpunkt AO des Abtastkopfes an. Bei dem in FIG 1 dargestellten Messelement 2 handelt es sich um ein so genanntes lineares Messelement, d.h. es wird die Lage ei¬ ner linearen Bewegung gemessen. Der Abtastkopf 1 bewegt sich dabei in Richtung des Doppelpfeils über das Messelement 2 entlang in einem gleichförmigen Abstand hinweg und die Lage z wird gemessen, indem mindestens zwei Sensoren (z.B. die Sensoren Sl und S2), die in dem Ausführungsbeispiel als magneti¬ sche Sensoren ausgebildet sind, das von den Inkrementen I1 bis Ik erzeugte magnetische Feld abtasten. Im Gegensatz zu einer handelsüblichen Maßverkörperung bei der alle Inkremente in der Regel eine konstante Periodenlänge L1 bis Lk aufwei¬ sen, weist die Maßverkörperung des erfindungsgemäßen Messelements gemäß Ausführungsbeispiel Inkremente auf, deren Perio- denlängen Li bis Lk mit zunehmender Lage z abnehmen (Alternativ kann die Maßverkörperung auch so ausgebildet sein, dass die Maßverkörperung Inkremente aufweist, deren Periodenlängen Li bis Lk mit zunehmender Lage z zunehmen oder deren Perio- denlängen Lx bis Lk einfach unterschiedliche Werte annehmen) . Wenn nun der Abtastkopf 1 und damit z.B. der Sensor Sl von links nach rechts entlang dem Maßelement 2 bewegt wird, so wird als Ausgangssignal des Sensors ein frequenzmoduliertes sinusförmiges so genanntes Spursignal mit abnehmender Perio- denlänge d.h. zunehmender Frequenz ausgegeben, wobei sich als Periodenlängen die Längen Lx bis Lk ergeben.
In FIG 2 ist ein solchermaßen vom Sensor Si als Ausgangssignal erzeugtes Spursignal f (z) dargestellt.
Infolge der Abtastung der Maßverkörperung gibt jeder der Sensoren Si bis Sn als Ausgangssignal ein jeweiliges moduliertes sinusförmiges Spursignal f (z) ab, das mathematisch durch die Spurfunktion f (z) beschrieben ist, wobei der n-te Sensor das Signal. f(z + aj (30010)
liefert. In dem Ausführungsbeispiel ist das Spursignal f (z) frequenzmoduliert. Ein Beispiel des erfindungsgemäßen Spur- Signals f(z) ist in FIG 2 dargestellt.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird durch eine Grobauswertung aus den Sensorsignalen zunächst mittels Bestimmung einer oder mehrerer Hilfsgrößen ein erster ungefäh- rer Wert in Form einer Groblage für die zu bestimmende Lage z bestimmt. Durch eine anschließende Feinauswertung mittels In¬ terpolation wird die Lage z dann genau bestimmt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Auswertung des Spur- Signals zur Bestimmung der Lage z wird im Folgenden erläutert. Das Spursignal d.h. die Spurfunktion ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch
f(z) = cos (2 π ζ dz V L(zλ))
= cos(2 π (z - 5^J LK) / L(z))
= cos (2 π (z - ^"I Lκ) / Lk) (51010a)
Figure imgf000009_0001
mit einer treppenförmig verlaufenden Funktion des Verlaufs der Periodenlängen Lk der Inkremente mit der Form
L(z) := Lk für J^ Lκ < z < J^ Lκ (51010b) mit positiven, paarweise verschiedenen Periodenlängen Li, L2, ..., Lκ, gegeben (siehe FIG 3) .
Der Abtastkopf 1 gemäß FIG 1 weist dabei mindestens zwei Sen¬ soren auf, deren Abstand a2-ai sehr klein sei im Vergleich zu den auftretenden Periodenlängen, d.h.
a2-ai << Lk , k = 1, 2, ... K (51040)
Zur Bestimmung der gesuchten Lage z werden nun das Spursignal des ersten Sensors und die Differenz der beiden Spursignale des ersten Sensors und des zweiten benachbarten Sensors aus- gewertet, d.h. es werden die Größen x := f(z + ai), y := f(z + a2) - f(z + aλ) (51050a,b) betrachtet. Wegen Gleichung (51010a) ergibt sich damit in gu¬ ter Näherung
x = cos (α) , y = - [2 π (a2-ai) / Lk] sin(α) (51060a,b) mit
Figure imgf000009_0002
J^1 Lκ < z + ai < ^=1 Lκ, (51060C) wobei die Gleichung (51060a) für x exakt gilt. Mit der allge¬ meingültigen trigonometrischen Beziehung
(sin(φ))2 + (cos(φ))2 = 1 folgt daraus zunächst
x2 + {Lk / [2 π (a2-ai) ] } 2 y2 = 1 und damit weiter
Lk = 2 π (a2-ai) (1 - x2)172 / |y| . (51070)
(Auf den Fall y = 0 wird weiter unten eingegangen.) Durch
Vergleich der rechten Seite dieser Gleichung mit den Werten Lk kann daraus bereits auf das Intervall geschlossen werden, in dem sich gesuchte Position, d.h die Lage z, befindet, d.h. es kann dasjenige k bestimmt werden, für das
y^ Lκ < z + ai < ^ _ Lκ gilt (Bestimmung der Groblage;
Grobauswertung) ) .
Die genaue Lage erhält man schließlich zu:
z = -al + > Lκ +
Lk atan2 (- y Lk / (2 π (a2-ai) ) , x) / (2 π) falls atan2 (- y Lk / (2 π (a2-ai) ) , x) > 0
= -al + ∑k^ Lκ +
Lk [1 + atan2(- y Lk / (2 π (a2-ai) ) , x) / (2 π) ] sonst (51080)
(Feinauswertung mittels Interpolation) , wobei atan2 (Y, X) für rreeeellllee XX,, YY ddaass AArrgguummeenntt ddeerr kkoommppllexen Zahl X + jY (j2 = -1) bezeichnet (-π < atan2 (Y, X) < π) .
Für y = 0 ist |x| = 1 und auf der rechten Seite von (Glei¬ chung (51070) ergibt sich eine Division 0 durch 0. In diesem Fall kann die Gleichung nicht nach z aufgelöst werden. Für dieses Problem bieten sich zwei Lösungsmöglichkeiten an: Lösungsmöglichkeit 1: Man begnügt sich mit der Existenz sol¬ cher singulären Punkte bzw. Intervalle, bei denen die Lage z nicht eindeutig bestimmt werden kann. In der Praxis kann das zum Beispiel in Anwendungsfällen genügen, bei denen der Ab- tastkopf 1 normalerweise in ständiger Bewegung ist und die Lage z zur Regelung dieser Bewegung zu äquidistanten Abtastzeitpunkten in einem festen Zeitraster abgefragt wird. Wenn dann in einem bestimmten Abtastzeitpunkt keine eindeutige La¬ ge z bestimmbar ist, kann es genügen, wenn die Lage z erst wieder im nächsten oder einem der nächsten Abtastzeitpunkte verfügbar ist. Gegebenenfalls ist es auch akzeptabel, wenn man den Abtastkopf 1 gezielt ein Stück bewegt, um in einen Bereich zu kommen, in dem z wieder eindeutig bestimmbar ist.
Lösungsmöglichkeit 2: Man sieht im Abtastkopf 1 mindestens zwei weitere Sensoren vor, deren Abstand a4-a3 ebenfalls sehr klein sei im Vergleich zu den auftretenden Periodenlängen und wertet entsprechend zu den ersten beiden Sensoren die Größen
X34 := f(z + a3), y34 := f(z + a4) - f(z + a3) (51090a,b)
was auf die zweite Bestimmungsgleichung
L ( z + a3 ) = 2 π ( a4-a3 ) ( 1 - x34 2 ) 172 / I y34 I ( 5110 0 )
führt .
Durch geeignete Wahl von a3 lässt sich dabei immer erreichen, dass immer dann, wenn die Gleichung (51070) wegen y = 0 nicht nach z auflösbar ist, stattdessen (51100) nach z aufgelöst werden kann.
Im Folgenden wird ein weiters Ausführungsbeispiel für eine Auswertung des Spursignals zur Bestimmung der Lage z erläutert. Der Abtastkopf 1 gemäß FIG 1 weist dabei mindestens zwei Sensoren auf, deren Abstand a2-ai nicht sehr klein sei im Vergleich zu den auftretenden Periodenlängen
Das Spursignal ist dabei gegeben durch
f(z) = sin((l + b(z ) ) 2 π z / L) , 0 < z < zmax (52010)
zmax: Länge der Spur
mit einer geeigneten Funktion b(z),
wobei beispielsweise
b(z) = z / c (52015)
gilt
In FIG 4 ist ein derartiges Spursignal f (z) nach Gleichung (52010) mit b(z) nach Gleichung (52015) mit L = I und c = 8 dargestellt.
Der Abtastkopf 1 weist mindestens zwei Sensoren (n > 2) mit a2 - ai = L /4 auf. Der Einfachheit halber werde für das fol¬ gende
ai = 0 und a2 = L/4 (52020a,b)
angenommen. Gemäß dem oben gesagten liefert der erste Sensor das Spursignal x und der zweite Sensor das Spursignal y mit
x := f(z), y := f(z + L/4) . (52030a,b)
Damit kann man schreiben
x = sin(α), y = cos (α+δ) (52040a,b) mit α := (1 + b (z) ) 2 π z / L, δ : = (b ( z + L / 4 ) - b ( z ) ) 2 π z / L + b ( z + L / 4 ) π / 2 . ( 52050 a , b )
Für das weitere sei nun angenommen, dass für b(z) Gleichung (52015) gilt. Damit vereinfachen sich die letzten beiden Gleichungen zu
α := (1 + z / c) 2 π z / L, δ := [ (2 z + L / 4) / c] π / 2.
(52055a,b)
Zum Verständnis: Für den Grenzfall b(z) ≡ 0 (bzw. c —> ∞) er¬ gibt sich:
f (z) = sin(2 π z / L) , α = 2 π z / L, δ = 0, x = sin(α), y = cos (α) , (52060)
was einem handelsüblich so genannten sin/cos-Geber nach dem Stand der Technik entspricht. Bei diesem kann der Winkel α aus den Messwerten x, y bis auf Vielfache von 2 π ermittelt werden und damit z bis auf Vielfache von L, d.h. es kann zwar die Lage innerhalb einer Periode L bestimmt werden, nicht a- ber die Periode selber. Wählt man nun aber 0 < c < ∞, so lässt sich, wie im Folgenden gezeigt wird, auch die Periode bestimmen.
Die Idee dabei ist, dass die Größe δ in Gleichung (52040a,b) bei einem idealen sin/cos-Geber nach dem Stand der Technik gleich 0 ist und bei einem realen sin/cos-Geber dem so genannten Phasenfehler δ des Gebers entspricht. Die erfindungs- gemäße Lösung beruht nun daraus, dass dieser Phasenfehler δ einerseits gemäß Gleichung (52055b) in eindeutigem Zusammenhang mit der gesuchten Lage z steht und andererseits direkt aus den Messwerten x, y bestimmt werden kann. Insgesamt kann damit z aus x, y bestimmt werden. Zur Herleitung der benötig- ten Formeln wird zunächst y = cos (α+δ) (52040b) mit der all¬ gemeingültigen trigonometrischen Beziehung cos (φ+ψ) = cos (φ) cos (ψ) - sin (φ) sin (ψ)
in die Gleichung
y = cos (α) cos (δ) - sin(α) sin(δ) (52070)
umgeformt. Durch Umstellen und anschließendes Quadrieren er¬ hält man
[y + sin(α) sin(δ)]2 = [cos(α)]2 [cos(δ)]2 , (52080)
woraus mit der der allgemeingültigen trigonometrischen Beziehung (sin(φ))2 + (cos(φ))2 = 1 und x = sin(α) (52040a) weiter [y + x sin(δ)]2 = (1 - x2) (1 - (sin(δ))2) (52090) folgt. Ausmultiplizieren und Umstellen liefert mit der Abkürzung
r := sin(δ) (52100)
die quadratische Gleichung r2 + 2 x y r + (x2 + y2 - 1) = 0 (52110) mit den Lösungen r = - x y + (x2 y2 - x2 - y2 + 1 ) 1/2 . ( 52120 )
Damit lässt sich aus den Messwerten x, y zunächst r bestimmen. Löst man weiter Gleichung (52100) nach δ auf, d.h. δ = 2 q π + arcsin(r) bzw. δ = (2 q + 1) π - arcsin(r)
(q = 0, +1, +2, ...), (52130) so kann man damit weiter δ bestimmen. Löst man noch weiter
Gleichung (52055b) nach z auf, d.h.
z = c δ / π - L / 8 , (52180)
so erhält man schließlich die gesuchte Lage z. Auf Grund der Mehrdeutigkeiten in den beiden Gleichungen (52120) und (52130) würde man mit der bisher beschriebenen Vorgehensweise zunächst mehrere Lösungen für z erhalten. Jedoch kann man am Ende durch Einsetzen der verschiedenen Lösungen in die Gleichung (52030a,b) und Vergleich der sich daraus für x, y ergebenden Werten mit den tatsächlichen Messwerten x, y schließ- lieh eine eindeutige Lösung erhalten. Insgesamt gelangt man damit zu folgendem BerechnungsSchema für z:
Bestimmung der Groblage in einem ersten Schritt
1) Bestimme ri := - x y - (x2 y2 - x2 - y2 + 1)1/2, T2 := - x y + (x2 y2 - x2 - y2 + 1)1/2 (52200a, b)
2) Bestimme damit δk,m := k π + (-l)k aresin (rm) für k = 0, 1, ..., ceil( (zmax + L / 8) / c + 1/2) , m = 1,2 (52220) wobei ceil (χ) die kleinste ganze Zahl > χ bezeichnet.
3) Bestimme damit zk,m := c δk,m / π - L / 8 für k = 0, 1, ..., ceil((zmax + L / 8) / c + 1/2) , m = 1,2 (52230)
Um aus diesen mehreren Lösungen nun die zutreffende herauszufinden, setzt man diese Lösungen in Gleichung (52030a,b) ein und bestimmt so die Werte
xk, m := f (zk, m) und / oder yk, m = f(zk, m + L/4) , (52240a,b)
die diesen Lösungen entsprechen. Die gesuchte Lösung ist nun genau diejenige, für die diese Werte identisch mit den tat- sächlichen Messwerten x,y sind.
In einigen singulären Punkten erhält man hierfür trotzdem noch mehrere mögliche Lösungen, wie sich an Hand der in FIG 5 dargestellten Ortskurve der Messwerte x(z),y(z) in der xy- Ebene für f (z) nach Gleichung (52010) mit b(z) nach Gleichung (52015) und L = I, c = 8 verdeutlichen lässt. In FIG 5 ist die Ortskurve der Punkte (x,y) für alle Positio¬ nen aus dem Wertebereich gezeichnet. Da die Werte x und y da¬ bei mehrfach den Wertebereich von -1 bis 1 durchlaufen, berührt diese Kurve auch mehrere Male die Linien x = -1, x = +1, y = -1, y = +1 und überschneidet sich dadurch mehrfach selbst. In den dadurch entstehenden Schnittpunkten gibt es dann entsprechend mehrere Werte für die Lage z, die zu je¬ weils den selben Messwerten x, y führen. Da in der Praxis die Messwerte x, y nur mit einer begrenzten Genauigkeit ermittelt werden können und auch die Rechengenauigkeit nur begrenzt ist, gibt es in der Praxis nicht nur singuläre Punkte, son¬ dern endliche Intervalle für die Lage z, in denen diese mit alleiniger Kenntnis von x, y nicht eindeutig bestimmbar ist. Für dieses Problem bieten sich zwei Lösungsmöglichkeiten an:
Lösungsmöglichkeit 1: entsprechend vorhergehendem Ausfüh¬ rungsbeispiel .
Lösungsmöglichkeit 2: Man sieht im Abtastkopf mindestens ei- nen dritten Sensor vor, der gemäß Gleichung (30010) das Spursignal y3 := f(z + a3) (52250) als Ausgangssignal ausgibt. Befindet man sich nun in einem singulären Punkt, so bestimmt man für die in Frage kommenden Lösungen zk, m beispielsweise noch f(zk, m + a3) und vergleicht diese mit dem Messwert y3. Die richtige Lösung ist dann genau dasjenige zkr m, für das y3 = f (zkr m + a3) gilt.
Auf Grund von Messfehlern und begrenzter Rechengenauigkeit stimmt die so gefundene Lösung mit der tatsächlichen Lage i.d.R. nur näherungsweise überein. Insofern stellt die oben beschriebene nur eine Grobauswertung im Sinne einer Bestimmung einer Groblage dar.
Für die anschließende Feinauswertung, mit der die gesuchte
Lage z numerisch mittels Interpolation noch genauer bestimmt werden kann, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Im Folgenden werden zwei davon beschrieben.
Der Grundgedanke bei dem ersten Verfahren ist, δ als Phasen- fehler und x, y als Spursignale eines ansonsten idealen sin/cos-Gebers zu interpretieren, die Spursignale dementspre¬ chend zu korrigieren und die tatsächliche Lage schließlich aus den korrigierten Spursignalen zu berechnen. Für dieses Verfahren wird vorausgesetzt, dass der Parameter c in Glei- chung (52015) positiv ist und außerdem die Größe δ gemäß
Gleichung (52055b) für alle vorkommenden z kleiner als π/2, typischerweise kleiner als π/3 ist.
Fasst man dementsprechend δ als Phasenfehler auf, so erhält man damit aus x, y die korrigierten Spursignale xc := x , yc := (y + x sin(δ)) / cos (δ) , (52260a,b) für die xc := sin(α) , yc := cos (α) (52265a,b) gilt. Der zur Berechnung von yc gemäß Gleichung (52260b) be- nötigte Wert von δ kann z.B. nach Gleichung (52055b) mit der Lage z aus der Grobauswertung bestimmt werden. Alternativ kann man für δ auch dasjenige δk, m nach Gleichung (52220) einsetzen, das in der Grobauswertung zum richtigen Wert für z geführt hat.
Daraus wiederum ergeben sich für α die möglichen Werte:
α = αk = atan2 (xc, yc) + k 2 π (k = 0, 1, 2, ...) . (52270)
Andererseits erhält man durch Elimination von z aus Gleichung (52055a,b)
α = [1 - L / (8 c) + δ / π] [δ / π - L / (8 c) ] (c / L) 2 π ; (52275) .
Im Gegensatz zu Gleichung (52270) ist dieser Wert eindeutig, numerisch aber nicht so genau, weil er aus der Grobauswertung stammt. Dementsprechend wird er hier nur dazu benutzt, den Parameter k in Gleichung (52270) so zu bestimmen, dass α nach Gleichung (52270) dem α nach Gleichung (52275) am nächs¬ ten kommt, und bestimmt mit diesem k den genauen Wert von α nach Gleichung (52270) .
Durch Auflösen von (52055a) nach z und Einsetzen dieser Werte erhält man daraus als mögliche Werte für die Lage z schlie߬ lich
z = (c / 2) { [1 + (4 L / c) α / (2 π)]1/2 - 1} (52280) (Die andere Lösung der quadratischen Gleichung entfällt dabei, da z wegen Gleichung (52010) nicht negativ ist.)
Im Folgenden wird das zweite Verfahren zur Feinauswertung beschrieben:
Sei Z0 der durch die Grobauswertung gefundene Wert für die gesuchte Lage z. Im Folgenden bezeichnen gemäß FIG 6 znextx- min (Z0) und znextxmax (z0) das lokale Minimum und das lokale
Maximum von f(z), zwischen denen z0 liegt, und weiter znextx- zero(zo) die Nullstelle von x(z) = f(z), die zwischen znextx- min(zo) und znextxmax (z0) liegt.
Der zu dieser Nullstelle gehörende α-Wert αnextxzero(z0) := α| z = znextxzero(zθ) ist (wegen Gleichung (52030a) und (52040a) ) offenbar ein ganzzahliges Vielfaches von π, der sich von znextxmin (z0) bzw. znextxmax (z0) um π / 2 un¬ terscheidet, d.h.
αnextxzero (Z0) I= Iϊl 7t , (52290a) ctnextxmin (zo) := in 71 - 71 / 2, falls in geradzahlig ist,
:= m π + π / 2, sonst (52290b)
αnextxmax (Z0) := m π + π / 2, falls m geradzahlig ist,
:= m π - π / 2, sonst (52290b) mit m = 0, 1, 2, ...
Da der Verlauf des Spursignals f (z) bekannt ist, lässt sich dieses m aus z0 direkt ermitteln. Unter Beachtung von Glei- chung (52280) erhält man
m = 0, falls z0 < (c / 2) { [1 + (1 / c) L)]1/2 - 1} m = 1, falls (c / 2) { [1 + (1 / c) L]1/2 - 1} < z0 <
(c / 2) { [1 + (3 / c) L]1/2 - 1}
m = M, falls (c / 2) { [1 + ((2 M - I) / c) L]1/2 - 1} < z0 < (c / 2) { [1 + ((2 M + 1) / c) L]1/2 - 1} (M = 1, 2, 3, ...) (52300)
Damit gilt für den zu z0 gehörenden α-Wert
m π - π / 2 < α ≤ m π + π / 2 . (52310)
Den genauen Wert bekommt man damit unter zusätzlicher Verwen- düng des Messwertes x zu
α = m π + aresin (x) für geradzahliges m ,
= m π - aresin (x) für ungeradzahliges m . (52320)
Den gesuchten Wert für z erhält man daraus schließlich entsprechend wie beim ersten Verfahren nach Gleichung (52280) .
Dieses Verfahren lässt sich in naheliegender Weise auch für den Messwert y an Stelle von x formulieren.
Falls x sehr nahe bei +1 (Maximum) oder -1 (Minimum) liegt, kann auf Grund von Mess- und Rechenungenauigkeiten das Verfahren zu falschen Ergebnissen führen, weil dann die Ermittlung von m auf einen um 1 zu hohen oder zu niedrigen Wert führen kann. In diesem Fall empfiehlt sich die Anwendung des Verfahrens für y. Umgekehrt sollte, falls y sehr nahe bei +1 oder -1 liegt, das Verfahren für x angewendet werden. Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine weitere Auswertung eines sinusförmigen Spursignals f (z) zur Bestimmung der Lage z erläutert, wobei das Spursignal nicht wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen frequenzmoduliert sondern amplitudenmo- duliert ist. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist dabei das Spursignal f (z) monofrequent. In Anlehnung an das Ausfüh¬ rungsbeispiel gemäß FIG 1 lässt sich ein solches amplituden¬ moduliertes Spursignal erzeugen, indem im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1, die Periodenlängen Lx bis Lk der Inkremente Ii bis Ik alle gleich gewählt werden aber die Inkremente Ii bis Ik unterschiedlich stark magnetisiert wer¬ den.
Das Spursignal f (z) ist in diesem Fall durch
f(z) = B(z) sin(2 π / L) (53010)
mit
B ( z ) = Bn für (n - 1 ) L ≤ z < n L (Bni ≠ Bn2 für nl ≠ n2 ) ( 53020 )
gegeben (siehe FIG 7) . Das Spursignal f(z) setzt sich in die¬ sem Fall aus einer Anzahl auf einander folgender Sinusperioden gleicher Periodenlänge, aber unterschiedlicher Amplitude zusammen. In FIG 7 obere Kurve ist der Verlauf von B(z) für die Werte L = I, Bi = 1.5, B2 = 0.75, B3 = 1.15, B4 = 0.5 dar¬ gestellt. In FIG 7 untere Kurve ist das resultierende Spur¬ signal f(z) dargestellt.
Der Abtastkopf 1 weist hier im Rahmen des Ausführungsbei¬ spiels mindestens drei Sensoren auf, deren relative Lage zu¬ einander durch
a2 = ai + L / 4 , a3 = a2 + L / 4 = ai + L / 2 ( 53030 ) gegeben ist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich immer mindestens zwei benachbarte dieser drei Sensoren innerhalb der¬ selben Sinusperiode befinden, was eine besonders einfache Auswertung erlaubt. Es sind jedoch diesbezüglich auch Auswer- teverfahren denkbar, die mit nur zwei Sensoren auskommen. Auf ein solches wird im Anschluss eingegangen.
Bezeichne nun
X1 := f(z + aj (53040)
das Spursignal des Sensors Nr. i. Dann braucht man nur die Vorzeichen dieser Signale auszuwerten, um zu erkennen, welche der drei Sensoren sich innerhalb derselben Sinusperiode be- finden. Es gilt nämlich: für Xi > 0 befinden sich alle drei Sensoren innerhalb derselben Sinusperiode, für Xi < 0, X2 ≥ 0 befinden sich Sensor Nr. 2 und Nr. 3 innerhalb derselben Sinusperiode, für Xi < 0, X2 < 0 befinden sich Sensor Nr. 1 und Nr. 2 innerhalb derselben Sinusperiode.
Seien nun die Sensoren Nr. p und p + 1 in derselben Sinusperiode, d.h.
(n - 1) L < z + ap < z + ap+i < n L . (53050)
Wegen der allgemeingültigen trigonometrischen Beziehung
(sin(φ))2 + (cos(φ))2 = 1 gilt dann
Xr + xp+l = Br [53060)
Durch Auswertung von xp + xp+i kann also zunächst die Sinusperiode bestimmt werden, innerhalb derer sich xp befindet (Bestimmung der Groblage; Grobauswertung) . In der anschließenden Feinauswertung wird die Position schließlich wie folgt genauer bestimmt:
z = -ap + (n - 1) L + (atan2 (xp, xp+i) / (2 π) ) L, falls atan2(xp+i, xp) > 0, (53070a)
z = -ap + (n - 1) L + (2 π + atan2 (xp, xp+i) / (2 π) ) L sonst.
(53070b) (Feinauswertung mittels Interpolation)
Für die Fälle
B1 < B2 < ... < Bn-! < Bn < ... und
Bi > B2 > ... > Bn_i > Bn > ... kann das eben beschriebene Verfahren auch so abgewandelt wer¬ den, dass auch nur mit den beiden Sensoren Nr. 1 und Nr. 2 die Lage überall eindeutig und genau bestimmt werden kann.
Für den Fall B1 < B2 < ... < Bn_i < Bn < ... sei das im Folgen- den kurz dargestellt. Zunächst bestimmt man entsprechend wie beim eben beschriebenen Verfahren die Vorzeichen von X1 und x2. Falls Xi > 0 oder X1 < 0, x2 < 0 ist, geht man weiter wie beim eben beschriebenen Verfahren vor, da in diesen Fällen x3 dort sowieso nicht benötigt wird. Falls jedoch X1 < 0, x2 > 0 gilt, bestimmt man dasjenige n, für das
Bn-! < X1 2 + X2 2 < Bn 2
gilt . Mit die sem n gilt dann
Figure imgf000022_0001
Damit ist die Groblage bestimmt (Grobauswertung) . Zur Fein¬ auswertung bestimmt man weiter
x' 2 = (Bn-I2 - Xi2)172 Durch Einsetzen von p = 1 und xp+i = x'2 in die Gleichung (53070b) erhält man dann die genaue Lage (Feinauswertung mit¬ tels Interpolation) .
Die Tatsache, dass nur eine einzige Spur für die Erfindung benötigt wird, ist besonders dort entscheidend, wo nicht meh¬ rere parallele Spuren realisiert werden können.
Im Folgenden wird dies an einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß FIG 8 veranschaulicht.
In FIG 8 ist ein Beispiel für eine weitere mögliche Ausges¬ taltung des erfindungsgemäßen Messelements 2, das von einem Abtastkopf 1, der sich in Richtung des Doppelpfeils entlang dem Messelement 2 bewegt und die Maßverkörperung abtastet dargestellt. Die Maßverkörperung ist dabei durch die 3- dimensionale Kontur des Messelements realisiert. Das Messele¬ ment ist dabei in Form einer rotationssymmetrischen Elements insbesondere einer Zahnstange realisiert, deren äußere zahn- förmige Kontur eine frequenzmodulierte sinusförmige Form auf¬ weist. Der Abtastkopf 1 weist dabei einen Permanentmagneten und magnetische Sensoren auf. Der sich während der Bewegung des Abtastkopfes 1 entlang dem Messelements ändernde Abstand zwischen Messelement 2 und Abtastkopf 1 erzeugt frequenzmodu- lierte sinusförmige Schwankungen des magnetischen Felds zwi¬ schen dem Abtastkopf 1 und dem Messelement 2, wodurch von den Sensoren im Abtastkopf 1 ein frequenzmodulierte sinusförmiges Ausgangssignal als Spursignal erzeugt wird. Da die messtech¬ nische Abbildung der Kontur des Messelements 1 in das Spur- signal in der Regel eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wird zusätzlich eine Amplitudenmodulation der Kontur des Messelements 2 derart durchgeführt, dass die Amplitude, des von dem jeweiligen Sensor erzeugten Spursignals konstant ist. Hierzu hat die äußere Kontur der Zahnstange einen Verlauf, bei dem die Zahnhöhen und -tiefen der Kontur umso größer sind, je kürzer die betreffenden Zähne/Zahnlücken sind. Ist es nun, z.B. aus mechanischen konstruktiven Gründen erforder- lieh, während der Messung den Abtastkopf 1 und/oder das Mess¬ element 2 rotatorisch um die strichpunktiert eingezeichnete Rotationsachse des Messelements 1 zu drehen, so hat dies kei¬ nen Einfluss auf die Messung und damit auf die Bestimmung der Lage z .
Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt dass es auch denkbar ist, nicht wie in den Ausführungsbeispielen das Messelement 2 und die Maßverkörperung 3 als Linearelemente zur Erfassung einer Linearbewegung auszubilden, sondern das Messelement und die Maßverkörperung können auch als rotatorische Elemente (z.B. in Form einer runden Scheibe) zur Erfassung einer rotatorischen Bewegung vorliegen. Dabei wird üblicherweise, z.B. in einem Geber der Abtastkopf ortfest ausgeführt, während das Maßelement mit der Maßverkörperung sich unter dem Abtastkopf dreht.
Weiterhin ist es auch möglich, anstatt den magnetischen Sensoren entsprechend andere, beispielsweise optische Sensoren zu verwenden und die Maßverkörperung entsprechend mit ande¬ ren, beispielsweise optischen Inkrementen auszubilden.

Claims

Patentansprüche
1. Messelement (2) mit einer Spur (3), wobei die Spur (3) eine Maßverkörperung (I1-I1J aufweist, die von mindestens zwei Sensoren (Si-Sn) zur Bestimmung einer Lage (z) abgetastet wird, wobei die Maßverkörperung (I1-I1J derart ausgebil¬ det ist, dass die Sensoren (S1-Sn) als jeweiliges Ausgangs¬ signal ein moduliertes sinusförmiges Spursignal (f(z)) zur Bestimmung der Lage (z) ausgeben.
2. Messelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das modulierte sinusförmige Spursignal (f(z)) frequenzmoduliert ist.
3. Messelement nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das modulierte sinusförmige Spursignal (f(z)) derart frequenzmoduliert ist, dass mit zu¬ nehmender Lage (z) die Frequenz des Spursignals (f(z)) mono¬ ton steigt oder monoton fällt.
4. Messelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das modulierte sinusför¬ mige Spursignal (f(z)) amplitudenmoduliert ist.
5. Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ma߬ verkörperung (I1-I]5;) von mindestens drei Sensoren (Si-Sn) zur Bestimmung einer Lage (z) abgetastet wird.
6. Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Mess¬ element in Form eines rotationssymmetrischen Elements ausgebildet ist, dessen äußere Kontur eine frequenzmodulierte si¬ nusförmige Form aufweist.
7. Geber mit einem Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder Roboter mit einem Geber nach Anspruch 7
9. Messverfahren mit einer Spur (3), wobei die Spur (3) eine Maßverkörperung (I1-I1J aufweist, die von mindestens zwei
Sensoren (Si-Sn) zur Bestimmung einer Lage (z) abgetastet wird, wobei die Maßverkörperung (I1-I1J derart ausgebildet wird, dass von den Sensoren (S1-Sn) als jeweiliges Ausgangs¬ signal ein moduliertes sinusförmiges Spursignal ((f(z)) zur Bestimmung der Lage (z) ausgeben wird.
10.Messverfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bestimmung der Lage (z) erfolgt, indem in einem ersten Schritt aus den Spursignalen (f(z)) der Sensoren (Si-Sn) eine Groblage bestimmt wird und in einem zweiten Schritt mittels Interpolation unter Verwendung der Groblage die Lage (z) bestimmt wird.
PCT/EP2005/056866 2004-12-23 2005-12-16 Messelement und messverfahren mit einer spur zur bestimmung einer lage WO2006069925A1 (de)

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