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Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjekts - Dokument DE102006017865A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006017865A1 18.10.2007
Titel Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjekts
Anmelder SICK STEGMANN GmbH, 78166 Donaueschingen, DE
Erfinder Siraky, Josef, 78166 Donaueschingen, DE
Vertreter Patentanwälte Westphal Mussgnug & Partner, 78048 Villingen-Schwenningen
DE-Anmeldedatum 13.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006017865
Offenlegungstag 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse G01B 7/02(2006.01)A, F, I, 20060413, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 21/02(2006.01)A, L, I, 20060413, B, H, DE   G01D 5/244(2006.01)A, L, I, 20060413, B, H, DE   G01B 7/30(2006.01)A, L, I, 20060413, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjektes besteht aus einer mit dem Messobjekt gekoppelten Maßverkörperung (10) und einem die Maßverkörperung (10) abtastenden Sensorkopf. Die Maßverkörperung (10) ist aus in Messrichtung lückenlos aneinander anschließenden Teilbereichen (4) zusammengesetzt, die jeweils eine absolut codierte Messstrecke bilden. Jedem Teilbereich (4) ist wenigstens eine permanent-magnetische Markierung (5) zugeordnet. Der Sensorkopf (8) weist eine die Absolutcodierung (1.1, 1.2) der Teilbereiche (4) lesende Abtasteinheit (2) auf und einen Sensor (6) mit wenigstens einem durch die permanentmagnetischen Markierungen (5) beeinflussten Impulsdraht (7). Die Ummagnetisierungen des Impulsdrahtes (7) werden richtungsabhängig in einem Zähler mit einem nicht flüchtigen Speicher gezählt.

Beschreibung[de]

Um die Position eines rotativ oder linear bewegten Messobjektes absolut zu messen, wird mit dem Messobjekt eine Maßverkörperung gekoppelt, die durch einen Sensorkopf abgetastet wird. Die Maßverkörperung kann eine absolute Codierung aufweisen, so dass jederzeit die Position als absoluter Wert erfasst und verarbeitet werden kann. Eine solche absolute Codierung erfordert eine umso größere Anzahl von Code-Spuren, je länger der zu messende Weg und je höher die Auflösung der Messung werden. Im Hinblick auf dieses Problem ist es bekannt, die Maßverkörperung aus in Messrichtung lückenlos aneinander anschließenden Teilbereichen zusammenzusetzen. Die Teilbereiche bilden dabei jeweils eine absolut codierte Messstrecke, deren Absolutcodierung durch eine Abtasteinheit gelesen wird. Bei einer rotativen Maßverkörperung kann die Messstrecke beispielsweise eine Umdrehung einer absolut codierten Scheibe sein, während bei einer linearen Maßverkörperung übereinstimmende absolut codierte Teilbereiche linear aneinandergefügt werden. Die Absolutposition wird jeweils innerhalb des jeweiligen Teilbereiches durch die Abtasteinheit erfasst. Die Position des jeweiligen Teilbereiches in der gesamten Messstrecke wird bei einem rotativen Messsystem durch die Erfassung der Anzahl der Umdrehungen der Codescheibe und bei einem linearen Messsystem durch Zählen der Teilbereiche erfasst. Dabei ist es bekannt (z.B. DE 34 26 863 A1), die Teilbereiche inkremental zu zählen. Hierbei geht allerdings der inkremental gezählte Wert bei einem Abschalten der Messvorrichtung verloren. Es ist deshalb sowohl bei rotativen Messsystemen (z.B. DE 37 34 938 C2) als auch bei linearen Messsystem (z.B. DE 100 56 448 B4) bekannt, die Anzahl der durchlaufenen Teilbereiche mittels einer über ein Untersetzungsgetriebe nachgeschalteten absolut codierten Winkelmessung zu erfassen. Dies erfordert allerdings eine mechanische Untersetzung und eine absolut codierte Winkelerfassung, die insbesondere bei größeren Messlängen aufwendig werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjektes zu schaffen, die bei unveränderter Messauflösung auch große Messlängen ohne erhöhten Aufwand erfassen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mit dem Messobjekt gekoppelte Maßverkörperung aus einzelnen Teilbereichen zusammengesetzt, die sich in der Messrichtung lückenlos aneinander anschließen. Diese Teilbereiche bilden jeweils eine absolut codierte Messstrecke, wobei die einzelnen Messstrecken und ihre Codierung übereinstimmen. Jedem Teilbereich ist eine Markierung zugeordnet, die durch einen Permanentmagneten gebildet ist. Die absolute Codierung der Teilbereiche wird in an sich bekannter Weise durch eine Abtasteinheit gelesen. Die Anzahl der von der Maßverkörperung durchlaufenen Teilbereiche wird durch einen Sensor erfasst, der wenigstens einen durch die permanentmagnetischen Markierungen beeinflussten Impulsdraht (Wiegand-Draht) aufweist. Die Ummagnetisierung dieses Impulsdrahtes beim Durchlaufen der permanentmagnetischen Markierung wird richtungsabhängig erfasst und in einem Zähler je nach Durchlaufrichtung aufwärts oder abwärts gezählt. Der Zähler ist mit einem nicht flüchtigen Speicher ausgestattet.

Die Vorrichtung kann innerhalb jedes Teilbereiches die Position der Maßverkörperung absolut messen. Da die Teilbereiche nur eine relativ geringe Länge aufweisen müssen, kann eine hohe Messauflösung innerhalb der Teilbereiche mit einer geringen Anzahl von Code-Spuren erreicht werden. Es kann eine nahezu beliebige Anzahl von Teilbereichen aneinandergefügt werden, so dass eine nahezu beliebige Messlänge mit dieser hohen Messauflösung erfasst werden kann, ohne dass hierzu die Anzahl der Code-Spuren und der Aufwand für die Abtasteinheit erhöht werden müssen. Die Zählung der Teilbereiche erfolgt in einfacher Weise über einen Impulsdraht-Sensor, wie er z.B. aus der DE 102 59 223 B3 bekannt ist. Unabhängig von der Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung der Maßverkörperung gibt der Zähler stets die Position des jeweiligen Teilbereiches in der gesamten Maßverkörperung an, so dass aus diesem Zählerstand und der absoluten Codierung des jeweiligen Teilbereiches ein absoluter Positionswert mit hoher Auflösung bei beliebiger Messlänge erhalten werden kann. Der jeweilige Zählerstand wird in einem nicht flüchtigen Speicher gespeichert, so dass auch bei einem Abschalten der Vorrichtung dieser absolute Positionswert bei Wiedereinschalten sofort zur Verfügung steht.

In einer vorteilhaften Ausführung sind die Abtasteinheit, die die Absolutcodierung der Teilbereiche liest, und der Sensor zur Erfassung der permanentmagnetischen Markierungen in einem gemeinsamen Sensorkopf angeordnet. Damit ergibt sich ein kompakter Aufbau, was insbesondere deshalb von Vorteil ist, weil dieser Sensorkopf nicht von der Maßverkörperung getrennt werden darf, um die Zuordnung der in dem Zähler gespeicherten Teilbereichsposition nicht zu verlieren.

Weiter ist es von Vorteil, wenn der Zähler und dessen Speicher zumindest hilfsweise durch die Energie der Ummagnetisierungspulse des Impulsdrahtes gespeist werden. Dadurch ist die Zählung und Positionserfassung der Teilbereiche von einer externen Energieversorgung unabhängig. Auch eine Bewegung der Maßverkörperung, z.B. eines Maschinenteils, mit welchem die Maßverkörperung gekoppelt ist, bei abgeschalteter Vorrichtung oder bei Ausfall der Stromversorgung wird durch den Zähler erfasst und gespeichert, so dass auch in einem solchen Falle bei Wiedereinschalten der Vorrichtung der exakte absolute Positionswert zur Verfügung steht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

1 schematisch einen Vergleich einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und

2 unterschiedliche Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt schematisch zur Erläuterung eine Maßverkörperung 10 für eine absolute Positionsmessung nach dem Stand der Technik (1a) und gemäß der Erfindung (1b). Die beiden Maßverkörperungen 10 weisen dieselbe Länge und dieselbe Messauflösung auf.

Nach dem in 1a dargestellten Stand der Technik weist die Maßverkörperung 10 Code-Spuren 1.1, 1.2, 1.3 usw. auf. Die Messauflösung wird durch die Code-Spur 1.1 mit der feinsten Teilung bestimmt. Um einen absoluten Messwert über die gesamte Länge der Maßverkörperung 10 zu erhalten, sind in diesem Beispiel sechs Code-Spuren 1.1, 1.2 bis 1.6 notwendig. Diese Code-Spuren 1.1 bis 1.6 werden durch eine Abtasteinheit 2 abgetastet, die entsprechend für jede der Code-Spuren 1.1, 1.2 ...1.6 einen Sensor 3.1, 3.2 bis 3.6 benötigt.

Bei der erfindungsgemäßen Maßverkörperung 10, die in 1b gezeigt ist, wird dieselbe Messauflösung mit der Spur 1.1 mit der feinsten Teilung erreicht. Es sind jedoch für die Bestimmung einer absoluten Position nur einige wenige Code-Spuren erforderlich, im dargestellten Beispiel nur zwei Code-Spuren 1.1 und 1.2. Diese Code-Spuren 1.1 und 1.2 werden durch eine Abtasteinheit 2 abgetastet, die auch nur eine dieser Anzahl der Code-Spuren 1.1, 1.2 entsprechende geringe Anzahl von Sensoren 3.1 und 3.2 aufweist. Mit diesen Code-Spuren 1.1, 1.2 und der entsprechenden Abtasteinheit 2 wird ein absoluter Positionswert nur innerhalb eines Teilbereichs 4 ermittelt. In den aufeinanderfolgenden Teilbereichen 4 wiederholen sich die absoluten Positionswerte der Spuren 1.1 und 1.2 zyklisch. Jedem dieser Teilbereiche 4 ist eine permanentmagnetische Markierung 5 zugeordnet. Die permanentmagnetische Markierung 5 kann beispielsweise aus einem an der Maßverkörperung 10 angebrachten Permanentmagneten bestehen. Die permanentmagnetische Markierungen können beispielsweise jeweils an dem Übergang von einem Teilbereich 4 zum anschließenden Teilbereich 4 angeordnet sein. Vorzugsweise ist die permanentmagnetische Markierung 5 als magnetischer Dipol ausgebildet, der in der Richtung der Maßverkörperung 10 ausgerichtet ist. Die permanentmagnetischen Markierungen 5 werden durch einen Sensor 6 abgetastet, der wenigstens einen Impulsdraht 7 aufweist. Der Impulsdraht 7 (auch Wiegand-Draht genannt) ist vorzugsweise parallel zu dem Dipol der permanentmagnetischen Markierung 5, d.h. in Längsrichtung der Maßverkörperung 10 angeordnet.

Bewegen sich der Sensor 6 und die Maßverkörperung 10 relativ zueinander in Längsrichtung der Maßverkörperung 10, so bewegen sich die permanentmagnetischen Markierungen 5 und der Impulsdraht 7 des Sensors 6 aneinander vorbei, wodurch in dem Impulsdraht 7 ein Ummagnetisierungsimpuls erzeugt wird, dessen Polarität davon abhängt, ob sich die Markierung 5 und der Impulsdraht 7 von rechts nach links oder von links nach rechts aneinander vorbei bewegen. Die in dem Impulsdraht 7 erzeugten Ummagnetisierungspulse werden in einem Zähler gezählt, wobei der Zähler diese Ummagnetisierungsimpulse je nach Durchlaufrichtung der Markierung 5 aufwärts oder abwärts zählt. Von einem anfänglichen gesetzten Referenzwert ausgehend gibt der Zählerstand des Zählers somit den Teilbereich 4 an, an welchem sich die Abtasteinheit 2 befindet, so dass sich aus dem Zählerwert und der von der Abtasteinheit 2 ausgelesenen Absolut-Code-Wert ein absoluter Positionswert über die gesamte Länge der Maßverkörperung 10 ergibt.

Die Abtasteinheit 2 und der Sensor 6 sind in einem gemeinsamen Sensorkopf 8 angeordnet, so dass sich eine eindeutige Zuordnung zwischen der Abtasteinheit 2 und dem von dieser Abtasteinheit 2 ausgelesene Absolut-Code-Wert und dem von dem Sensor 6 gezählten Teilbereich 4 ergibt.

Der Zähler weist einen nicht flüchtigen Speicher auf, so dass der jeweilige Zählerstand auch bei einem Ausfall der Stromversorgung oder einem Abschalten der Vorrichtung erhalten bleibt. Vorzugsweise sind auch der Zähler und dessen Speicher in dem Sensorkopf 8 aufgenommen, so dass sich eine kompakte Ausführung ergibt.

In einer bevorzugten Ausführung wird die Energie der Ummagnetisierungspulse des Impulsdrahtes 7 in dem Sensorkopf 8 gespeichert, so dass bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. bei einem Abschalten der Vorrichtung eine Mindestenergie zur Verfügung steht, um den Zähler und den Speicher zu betreiben. Dadurch werden auch Zählimpulse erfasst und gespeichert, wenn der Sensorkopf 8 und die Maßverkörperung bei abgeschalteter Stromversorgung gegeneinander bewegt werden.

2 zeigt, dass die Vorrichtung sowohl für rotative als auch für lineare Messsysteme verwendet werden können. Bei rotativen Messsystemen kann die Maßverkörperung 10 als Kreisscheibe ausgebildet sein. Hat diese Kreisscheibe einen kleinen Durchmesser, wie dies in 2a dargestellt ist, so kann der gesamte Kreisumfang der Maßverkörperung 10 einen Teilbereich 4 bilden. Es ist in diesem Falle nur eine permanentmagnetische Markierung 5 vorgesehen, durch welche die Anzahl der Umdrehungen der Maßverkörperung 10 gezählt wird. Ist bei einem rotatorischen System der Durchmesser der kreisförmigen Maßverkörperung 10 größer, wie dies in 2b dargestellt ist, so kann es vorteilhaft sein, den gesamten Kreisumfang der Maßverkörperung 10 in mehrere Teilbereiche mit jeweils zugeordneten Markierungen 5 zu unterteilen. Bei einem linearen Messsystem 10, wie es 2c zeigt, wird in jedem Falle eine lineare Aneinanderfügung von Teilbereichen 4 verwendet, wie dies auch in 1b gezeigt ist.

1
Code-Spuren
2
Abtasteinheit
3
Sensoren
4
Teilbereiche
5
permanentmagnetische Markierung
6
Sensor
7
Impulsdraht
8
Sensorkraft
10
Maßverkörperung


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Messung der absoluten Position eines Messobjektes, mit einer mit dem Messobjekt gekoppelten Maßverkörperung (10) und einem die Maßverkörperung (10) abtastenden Sensorkopf (8), wobei die Maßverkörperung (10) aus in Messrichtung lückenlos aneinander anschließenden Teilbereichen (4) zusammengesetzt ist, wobei die Teilbereiche (4) jeweils eine absolut codierte Messstrecke bilden, wobei jedem Teilbereich (4) wenigstens eine Markierung (5) zugeordnet ist und wobei der Sensorkopf (8) eine die Absolutcodierung (1.1, 1.2 .....) der Teilbereiche (4) lesende Abtasteinheit (2) und wenigstens einen die Markierung (5) erfassenden Sensor (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen wenigstens eine permanentmagnetische Markierung (5) aufweisen, dass der Sensor (6) wenigstens einen durch die permanentmagnetische Markierungen (5) beeinflussten Impulsdraht (7) aufweist, dessen Ummagnetisierung detektiert wird, und dass die Ummagnetisierungen des Impulsdrahtes (7) richtungsabhängig aufwärts oder abwärts in einem Zähler gezählt werden, der einen nicht flüchtigen Speicher aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler und der Speicher in dem Sensorkopf (8) angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Ummagnetisierungspulse des Impulsdrahtes (7) zur Energieversorgung des Zählers und des Speichers verwendet wird.






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