-
Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung
zur Bestimmung der absoluten Position gemäß dem Anspruch 1 sowie ein
Verfahren zur absoluten Positionsmessung gemäß dem Anspruch 9.
-
Auf vielen Gebieten werden vermehrt
absolute Positionsmesseinrichtungen eingesetzt, bei denen die absolute
Positionsinformation aus einer Codespur mit in Messrichtung hintereinander
angeordneten Codeelementen abgeleitet wird. Die Codeelemente sind
dabei in pseudozufälliger
Verteilung vorgesehen, so dass eine bestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden
Codeelementen jeweils ein Bitmuster bildet. Bei der Verschiebung
der Abtasteinrichtung gegenüber
der Codespur um ein einziges Codeelement wird bereits ein neues
Bitmuster gebildet und über
den gesamten absolut zu erfassenden Messbereich steht eine Folge
von unterschiedlichen Bitmustern zur Verfügung.
-
Ein derartiger sequentieller Code
wird als Kettencode oder als Pseudo-Random-Code bezeichnet.
-
In der Veröffentlichung "Absolute position measurement
using optical detection of coded patterns", von J.T.M. Stevenson und J.R. Jordan
in Journal of Physics E / Scientific Instruments 21 (1988), No.
12, Seiten 1140 bis 1145 ist angeführt, dass jedes Codeelement
aus einer vorgegebenen Abfolge zweier Teilbereiche mit zueinander
komplementären
optischen Eigenschaften besteht.
-
In der Veröffentlichung ist auf die GB
2 126 444 A hingewiesen. Dort wird nun zur Erzeugung der binären Information
bei einer derartigen Manchester-Codierung
vorgeschlagen, die analogen Abtastsignale der Codebereiche mit einer
vorgegebenen Triggerschwelle zu vergleichen und davon abhängig eine
binäre
Information 0 oder 1 zu generieren.
-
Dieser Vergleich mit einer fest vorgegebenen Triggerschwelle
hat den Nachteil, dass Schwankungen in den analogen Abtastsignalen
zur fehlerhaften Generierung der binären Informationen führen können.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine absolute Positionmesseinrichtung mit hoher Zuverlässigkeit
bzw. Betriebssicherheit zu schaffen, mit der also eine möglichst
fehlerfreie Erzeugung der absoluten Position möglich ist.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruches 1 gelöst.
-
Der Erfindung liegt weiterhin die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer absoluten Position
anzugeben, mit dem eine möglichst
fehlerfreie Erzeugung der binären
Information und somit der absoluten Position ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Anspruches 9 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
-
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, dabei
zeigen:
-
1 eine
Positionsmesseinrichtung in schematischer Darstellung;
-
2 das
Prinzip einer Fehlerprüfung;
-
3 die
Signale zur Fehlerprüfung
gemäß 2;
-
4 eine
Positionsmesseinrichtung mit einer inkrementalen Spur zur Erzeugung
von Steuersignalen;
-
5a analoge
Abtastsignale der inkrementalen Spur;
-
5b Steuersignale
aus den analogen Abtastsignalen gemäß 5a;
-
6a eine
erste Abtastposition der Positionsmesseinrichtung;
-
6b eine
zweite Abtastposition der Positionmesseinrichtung;
-
6c eine
dritte Abtastposition der Positionsmesseinrichtung und
-
6d eine
vierte Abtastposition der Positionsmesseinrichtung.
-
In 1 ist
eine erfindungsgemäß ausgestaltete
Positionsmesseinrichtung schematisch dargestellt. Diese Positionsmesseinrichtung
arbeitet nach dem optischen Abtastprinzip, bei dem ein Code C im
Durchlichtverfahren abgetastet wird. Zur Abtastung des Codes C dient
eine Abtasteinrichtung AE, die in Messrichtung X relativ zum Code
C bewegbar angeordnet ist.
-
Der Code C besteht aus einer in Messrichtung
X hintereinander angeordneten Folge von gleich langen Codeelementen
C1, C2, C3. Jedes Codeelement C1, C2, C3 besteht wiederum aus zwei
gleich langen in Messrichtung X nebeneinander unmittelbar aufeinanderfolgend
angeordneten Teilbereichen A und B, die zueinander komplementär ausgebildet sind.
Komplementär
bedeutet dabei, dass sie inverse Eigenschaften besitzen, also beim
optischen Abtastprinzip transparent und nicht transparent bzw. bei Auflicht-Abtastung
reflektierend bzw. nicht reflektierend sind.
-
Der sequentielle Code C wird von
der Abtasteinrichtung AE abgetastet, die eine Lichtquelle L enthält, deren
Licht über
eine Kollimatorlinse K mehrere aufeinanderfolgende Codeelemente
C1, C2, C3 beleuchtet. Das Licht wird von dem Code C positionsabhängig moduliert,
so dass hinter dem Code C eine positionsabhängige Lichtverteilung entsteht,
die von einer Detektoreinheit D der Abtasteinrichtung AE erfasst
wird.
-
Die Detektoreinheit D ist ein Zeilensensor
mit einer in Messrichtung X angeordneten Folge von Detektorelementen
D1 bis D11. Jedem Teilbereich A, B der Codeelemente C1, C2, C3 ist
in jeder Relativlage zumindest ein Detektorelement D1 bis D11 eindeutig zugeordnet,
so dass in jeder Relativlage der Detektoreinheit D gegenüber dem
Code C ein Abtastsignal S1A bis S3B aus jedem Teilbereich A, B gewonnen wird.
Diese Abtastsignale S1A bis S3B werden einer Auswerteeinrichtung
AW zugeführt,
welche die beiden Abtastsignale S1A, S1B; S2A, S2B; S3A, S3B der
beiden Teilbereiche C1A, C1B; C2A, C2B; C2A, C2B; C3A, C3B eines
Codeelementes C1, C2, C3 jeweils miteinander vergleicht und durch
diesen Vergleich für
jedes Codeelement C1, C2, C3 einen digitalen Wert bzw. ein Bit B1,
B2, B3 erzeugt. Eine Folge mehrerer digitaler Werte B1, B2, B3 ergibt
ein Codewort CW welches die absolute Position definiert. Bei einer
Verschiebung der Detektoreinheit D gegenüber dem Code C um die Breite bzw.
Länge eines
Codeelementes C1, C2, C3 wird ein neues Codewort CW erzeugt und über den
absolut zu vermessenden Messbereich wird eine Vielzahl von unterschiedlichen
Codewörtern
CW gebildet.
-
1 zeigt
eine Momentanstellung des Codes C relativ zur Abtasteinrichtung
AE. Die Detektorelemente D1 bis D11 sind aufeinanderfolgend in einem
Abstand mit der halben Breite eines Teilbereiches C1A bis C3B des
Codes C angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass in jeder Position
zumindest ein Detektorelement D1 bis D11 einem Teilbereich C1A bis
C3B eindeutig zugeordnet ist und nicht einen Übergang zwischen zwei Teilbereichen
C1A bis C3B abtastet. In der dargestellten Position wird der Teilbereich
C1A vom Detektorelement D1 und der Teilbereich C1B vom Detektorelement
D3 abgetastet. Die Detektorelemente D1, D3 erfassen die Lichtverteilung
und erzeugen in Abhängigkeit
der Lichtintensität
ein analoges Abtastsignal S1A, S1B proportional zur Lichtintensität. Da die
beiden Teilbereiche C1A und C1B komplementär zueinander ausgebildet sind,
ist auch die Intensität
der Abtastsignale S1A und S1B invers zueinander, die Signalpegel
sind also weit voneinander beabstandet.
-
Dieser Signalabstand wird nun zur
Erzeugung der binären
Information B1 ausgenutzt, indem geprüft wird, welches der beiden
Abtastsignale S1A, S1B des Codeelementes C1 größer ist. Diese Prüfung kann
durch Quotientenbildung oder durch Differenzbildung erfolgen. Am
Beispiel wird die Differenzbildung eingesetzt, wozu gemäß 1 als Vergleichseinrichtung
ein Triggerbaustein T1 dient. Der Triggerbaustein T1 erzeugt B1=0,
wenn S1A kleiner S1B und B1=1, wenn S1A größer S1B ist. In gleicher Weise
werden binäre
Informationen B2 und B3 durch Abtastung der Codeelemente C2, C3
und Vergleich der analogen Abtastsignale S2A, S2B; S3A, S3B der
Teilbereiche C2A, C2B; C3A, C3B jeweils eines Codeelementes C2,
C3 durch Triggerbausteine T2, T3 gewonnen.
-
Einer ersten Abfolge der komplementär zueinander
ausgebildeten Teilbereich A, B wird also ein erster digitaler Wert
und einer zweiten Abfolge der komplementär zueinander ausgebildeten
Teilbereiche A, B wird ein zweiter digitaler Wert zugeordnet. Im
Beispiel wird der Abfolge opak → transparent
der Wert 0 und der Abfolge transparent → opak der Wert 1 zugeordnet.
-
Da die beiden Teilbereiche A und
B jedes Codeelementes C1, C2, C3 zueinander komplementär sind,
ist der Störabstand
der Abtastsignale S sehr groß.
Eine Veränderung
der Lichtintensität
der Lichtquelle L beeinflusst die Abtastsignale S beider Teilbereiche
A und B gleichermaßen.
-
Aufgrund der komplementären Ausgestaltung
jeweils zweier Teilbereiche A, B eines Codeelementes C1, C2, C3
müssen
bei korrekter Betriebsweise der Positionsmesseinrichtung durch Abtastung dieser
Teilbereich A, B jeweils analoge Abtastsignale S erzeugt werden,
deren Differenz einen vorgegebenen Wert übersteigt. Durch Beobachtung
dieses Differenzwertes ist eine gute Fehlerprüfung möglich. Die Grundlage dieser
Fehlerprüfung
ist, dass davon ausgegangen werden kann, dass bei Unterschreiten des
Differenzwertes um einen vorgegebenen Betrag die binäre Information
B1, B2, B3 unsicher ist und daher zu dieser binären Information B1, B2, B3
ein Fehlersignal F1 erzeugt wird.
-
Das Prinzip der Erzeugung des Fehlersignals
F1 ist in 2 dargestellt.
Die analogen Abtastsignale S1A und S1B des Codeelementes C1 werden einer
Fehlerprüfeinrichtung
P zugeführt.
Die Fehlerprüfeinrichtung
P vergleicht S1A und S1B durch Differenzbildung (S1A – S1B) und
prüft,
ob der Differenzbetrag einen vorgegebenen Vergleichswert V übersteigt
oder nicht übersteigt.
Wenn der Differenzbetrag (S1A – S1B)
den vorgegebenen Vergleichswert V nicht übersteigt, wird ein Fehlersignal
F1 ausgegeben. In 3 sind
diese Signalverhältnisse
dargestellt.
-
Die Anordnung der beiden Teilbereiche
A und B jedes Codeelementes C1, C2, C3 aufeinanderfolgend direkt
nebeneinander in Messrichtung X hat den Vorteil, dass die Detektorelemente
D1 bis D11 in einem geringen Abstand in Messrichtung X nebeneinander
angeordnet werden können
und somit die Positionsmesseinrichtung gegen Verdrehung der Detektoreinheit
D gegenüber
dem Code C, also gegen Moiré-Schwankungen
unempfindlich ist. Weiterhin ist die Störempfindlichkeit gegen Verschmutzungen
gering, da davon ausgegangen werden kann, dass beide Teilbereiche
A und B eines Codeelementes C1, C2, C3 gleichermaßen beeinflusst
werden.
-
Am Beispiel der Detektorelemente
D1 und D2 ist in 1 leicht
erkennbar, dass bei einer Verschiebung des Codes C um die Länge eines
Teilbereiches A, B nach links das Detektorelement D1 den Teilbereich
C1 B und das Detektorelement D3 den Teilbereich C2A abtastet, also
Teilbereiche zweier Codeelemente C1, C2. Der Triggerbaustein T1
kann somit keine einem Codeelement C1, C2, C3 zugeordnete binäre Information
B1, B2, B3 liefern. Nachfolgend werden nun Maßnahmen erläutert, mit denen sichergestellt
wird, dass zur Codeworterzeugung die korrekten Detektorelemente
D1 bis D11 verwendet werden, also die Detektorelemente D1 bis D11,
die jeweils die Teilbereiche eines einzigen Codeelementes C1, C2,
C3 abtasten.
-
Anhand der 4 bis 6 wird
eine bevorzugte Maßnahme
hierfür
beschrieben. Parallel neben dem Code C ist gemäß 4 eine Inkrementalspur R mit einer periodischen
Teilung der Periodenlänge
entsprechend der Länge
eines Codeelementes C1, C2, C3 angeordnet. Die Inkrementalspur R
wird in bekannter Weise von zumindest zwei um ¼ Teilungsperiode in Messrichtung
X gegeneinander versetzten Detektorelementen DR1, DR2 zur Erzeugung
zweier um 90° gegeneinander
phasenversehobener analoger Abtastsignale SR1, SR2 abgetastet. Diese
analogen Abtastsignale SR1, SR2 werden in bekannter Weise interpoliert
und der interpolierte Positionswert wird mit dem Codewort CW kombiniert,
wodurch die grobe absolute Positionsmessung durch die hochauflösende Inkrementalmessung
verfeinert wird.
-
Durch die Inkrementalmessung wird
die Länge
jedes Codeelementes C1, C2, C3 interpoliert. Durch den Interpolationswert
ist nun auf einfache Weise eine Unterscheidung des rechten und linken Teilbereiches
eines Codeelementes C1, C2, C3 möglich.
Zur Unterscheidung der Teilbereiche A und B reicht eine 4-fach Interpolation,
also eine einfach Triggerung der analogen Abtastsignale SR1, SR2 aus.
Die dadurch gewonnene Bitkombination aus den Digitalsignalen E1,
E2 definiert die Reihenfolge der Teilbereiche A, B eindeutig und
sie dient als Steuersignal zur Festlegung der Detektorelemente D1
bis D11, aus denen ein korrektes Codewort CW erzeugbar ist. Die
Digitalsignale E1, E2 definieren also, welche Abtastsignale S miteinander
verglichen werden und aus welchen Abtastsignalen S digitale Werte
B1, B2, B3 für
das Codewort CW gewonnen werden können.
-
Zur weiteren Erläuterung dieses Verfahrens sind
in den 6a bis 6d vier verschiedene Positionen
P1, P2, P3, P4 des Codes C gegenüber
der Detektoreinheit D dargestellt. Die Detektorelemente D1 bis D11
sind in Messrichtung X in Abständen
entsprechend der halben Länge
eines Teilbereiches A, B angeordnet und jeweils zwei Detektorelemente
D1 bis D11, die in einem gegenseitigen Abstand entsprechend der
Länge eines
Teilbereiches A, B angeordnet sind, sind in Differenz geschaltet.
-
In 6a ist
die Position P1 dargestellt, bei der aus der Inkrementalspur R die
Information E1=0 und E2=0 gewonnen wird. Das Bit B1 des Codeelementes
C1 wird durch Differenzbildung der Detektorelemente D4 und D6, also
(D4-D6) gebildet. Bei der Position P2 gemäß 6b ist E1=0 und E2=1, so dass durch eine
Steuereinheit M die Detektorelemente D3 und D5 ausgewählt werden.
Bei der Position P3 gemäß 6c ist E1=1 und E2=1, so
dass von der Steuereinheit M die Detektorelemente D2 und D4 zur Differenzbildung
ausgewählt
werden. Bei der Position P4 gemäß 6d ist E1=1 und E2=0, so
dass die Detektorelemente D1 und D3 ausgewählt werden.
-
In gleicher Weise werden die korrekten
Detektorelemente zur Bildung der weiteren Bits des Codewortes CW
ermittelt. Wenn beispielsweise zur Bildung des Bits B1 die Detektorelemente
D1 und D3 ausgewählt
worden sind, dienen zur Bildung des Bits B2 die Detektorelemente
D5 und D7 sowie zur Bildung des Bits 83 die Detektorelemente
D9 und D11, wie in 1 dargestellt
ist. Wobei in 1 nur
die in dieser Momentanstellung verwendeten Triggerbausteine T1,
T2, T3 dargestellt sind.
-
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der korrekten
Detektorelemente D1 bis D11 bzw. der korrekten analogen Abtastsignale
S besteht darin, dass alle Detektorelemente D1 bis D11, die im Abstand
der Länge
eines Teilbereiches A, B voneinander beabstandet sind miteinander
verglichen werden. Im Abstand eines Codeelementes C1, C2, C3 gibt
es nun Detektorpaare D1, D3 und D5, D7 – am Beispiel der in 6d dargestellten Momentanposition
P4- die in gewünschter
Weise jeweils die Differenz der Teilbereiche A, B eines Codeelementes
C1, C2 abtasten. Die weiteren Detektorpaare D3, D5 tasten aufeinanderfolgende
Teilbereiche B, A zweier aufeinanderfolgender Codeelemente C1, C2
ab und erzeugen somit mit der anhand 2 erläuterten
Fehlerprüfeinrichtung
P ein Fehlersignal F1. Um nun die korrekten Detektorelemente D1
bis D11 zu ermitteln, wird die Detektorgruppe D1, D3; D5, D7 gesucht,
bei der am wenigsten Fehlersignale F auftreten. Im Detail ist bzw. sind
zur Durchführung
dieser zweiten möglichen Maßnahme folgende
Anordnung bzw. folgende Verfahrensschritte erforderlich:
- – Detektorelemente
D1 bis D11 sind in Messrichtung X in Abständen entsprechend der halben Länge eines
Teilbereiches A, B angeordnet;
- – die
Detektorelemente D1 bis D11 bilden eine erste Gruppe (in den 6a bis 6d geradzahlig nummerierte Detektorelemente
D2, D4, D6, D8, D10) mit einem gegenseitigen Abstand entsprechend
der Länge
eines Teilbereiches A, B;
- – die
Detektorelemente D1 bis D11 bilden eine zweite Gruppe (in den 6a bis 6d ungeradzahlig nummerierte Detektorelemente
D1, D3, D5, D7, D9) mit einem gegenseitigen Abstand entsprechend
der Länge
eines Teilbereiches A, B;
- – die
Detektorelemente D2, D4, D6, D8, D10 der ersten Gruppe sind gegenüber den
Detektorelementen D1, D3, D5, D7, D9 der zweiten Gruppe um die halbe
Länge eines
Teilbereiches A, B versetzt angeordnet;
- – unmittelbar
aufeinanderfolgende Detektorelemente einer Gruppe sind jeweils in
Differenz geschaltet;
- – von
den beiden Gruppen werden nun die Vergleichsergebnisse der Detektorelementenpaare in
einem Raster entsprechend der Länge
eines Codeelementes C1, C2, C3 zur Bildung des Codewortes CW verwendet,
dessen Folge am wenigsten Fehler F erzeugt, gemäß 6d also die Folge (D1-D3)=B1, (D5-D7)=B2
usw.
-
Die beiden Teilbereiche A, B eines
jeden Codeelementes C1, C2, C3 können
optisch abtastbar ausgebildet sein, wobei dann ein Teilbereich A
für das
Abtastlicht transparent oder reflektierend und der anderen Teilbereich
B opak oder nicht reflektierend ausgebildet ist. Die Erfindung ist
aber nicht auf das optische Abtastprinzip beschränkt.
-
Die absolute Positionsmesseinrichtung
kann zur Messung von linearen oder rotatorischen Bewegungen eingesetzt
werden, wobei der Code C an einem der beweglichen Objekte und die
Abtasteinrichtung AE am anderen der zu messenden Objekte angebracht
ist. Der Code C kann dabei direkt an dem zu messenden Objekt angebracht
sein oder auf einem Maßstab,
der dann wiederum mit dem zu messenden Objekt gekoppelt ist.
-
Die zu messenden Objekte können dabei
der Tisch und der Schlitten einer Werkzeugmaschine, einer Koordinatenmessmaschine
oder der Rotor und der Stator eines Elektromotors sein.