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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen zumindest eines
beweglichen Objekts. Es kann durch die Vorrichtung ein Bauteil eines
Geräts bewegt werden, z. B. eine lineare Bewegung eines Schlittens
einer Werkzeugmaschine hin und zurück bewirkt werden. Vorliegend
ist aber insbesondere an eine Transfervorrichtung für bewegliche
Objekte wie Werkstückträger gedacht.
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Es
ist bekannt, in einer Transfervorrichtung für Werkstückträger
so genannte Langstator-Linearmotoren einzusetzen. Dies sind elektrische
Motoren mit Primärteil und Sekundärteil, bei denen
das Sekundärteil bewegt wird. Typischerweise ist das Sekundärteil
(Läufer, gelegentlich auch noch in Anlehnung an rotatorische
Motoren als Rotor bezeichnet) wesentlich kleiner, kürzer,
als der Ständer (Stator).
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Die
Vorrichtung umfasst im Falle der Verwendung eines Langstator-Linearmotors
das Linearmotor-Primärteil (oder mehrere davon) sowie eine
Steuereinheit, zumeist für jedes Primärteil genau
eine Steuereinheit zum Steuern dieses Linearmotor-Primärteils.
Die Steuereinheit hat die Aufgabe, das Linearmotor-Primärteil
mit Strom passender Amplitude und passenden Kommutierungswinkels
zu beaufschlagen. Bisher ist bei Vorrichtungen der genannten Art
lediglich eine Steuerung der Bewegung des beweglichen Objekts üblich.
Dies hat zur Folge, dass das bewegliche Objekt häufig nicht
mit der idealen Geschwindigkeit fortbewegt wird. Es kann hierbei
zu Energieverlusten kommen.
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Eine
Regelung der Bewegung der beweglichen Objekte scheitert bisher daran,
dass die Position der Objekte in der Vorrichtung an einer Vielzahl von
Punkten erfasst werden müsste, damit auf die Geschwindigkeit
zurückgeschlossen werden könnte.
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Eine
ausführbare Lösung hierfür wurde bisher
noch nicht gefunden.
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Die
Erfassung der Position des beweglichen Objekts und bevorzugt auch
seiner Geschwindigkeit wäre auch in solchen Transportvorrichtungen
hilfreich, in denen ein Förderband das bewegliche Objekt
zu dem Linearmotor-Primärteil führt. Das Linearmotor-Primärteil
muss von der Steuereinheit derart gesteuert (also mit geeignetem
Strom beaufschlagt werden), dass die Übergabe möglichst
bei fließender Bewegung des beweglichen Objekts erfolgt.
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Mit
Hilfe der üblicherweise in Vorrichtungen eingesetzten induktiven
oder auch optischen Sensoren ist das Problem einer Geschwindigkeitsmessung bisher
nicht zufriedenstellend lösbar gewesen. Die induktiven
bzw. optischen Sensoren verbrauchen in der Vorrichtung relativ viel
Platz, arbeiten aber dennoch nur punktuell.
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Es
sind im Stand der Technik so genannte magnetostriktive Sensoreinheiten
bekannt. Beispielsweise war am 19. Dezember 2007 im Internet unter
der Adresse http://www.mtssensor.de/fileadmin/medien/downloads/mts_messpr
inzip.pdf eine Beschreibung der physikalischen Grundlagen
der Magnetostriktion und entsprechender Messvorrichtungen erhältlich.
Es ist bekannt, eine Positionsmessung mit Hilfe eines stabförmigen
ferromagnetischen Messelements (auch als Wellenleiter bezeichnet) durchzuführen,
in das durch eine geeignete Einrichtung Stromimpulse eingekoppelt
werden. Das stabförmige Element soll feststehend sein.
Es ist von einem beweglichen Positionsmagneten, der als Ringmagnet
ausgebildet ist, umgeben, ohne dass der Ringmagnet das stabförmige
Messelement berührt. Ein durch die Stromimpulse erzeugtes
Magnetfeld wechselwirkt mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten
und bewirkt eine elastische, torsionale Verformung des Wellenleiters.
Es entsteht eine Körper-Ultraschallwelle, die sich mit
ca. 2800 m/s zu dem Ende des Wellenleiters zurückbewegt,
an dem die Stromimpulse eingekoppelt wurden. Dort kann sie mit geeigne ten
Mitteln zum Erfassen erfasst werden: Ein Impulswandlersystem besteht
hierbei aus einem quer mit dem Wellenleiter verbundenen, ebenfalls ferromagnetischen
und daher magnetostriktiven Metallstreifen, einer induktiven Detektionsspule
und einem weiteren, ortsfesten Permanentmagneten. Durch die Torsionswelle
wird in der Detektionsspule ein elektrischer Strom erzeugt. Das
elektrische Anwortsignal wird durch eine nachgeschaltete Elektronik
ausgewertet, und zwar wird die Laufzeit von der Einkopplung des
Stromimpulses bis zur Detektion des Stroms in der Detektionsspule
ermittelt. Diese Laufzeit ist abhängig von der Position
des ringförmigen Permanentmagneten am Wellenleiter. Dadurch wird
die Anordnung zur Positionsmessvorrichtung. Da der ringförmige
Permanentmagnet den Wellenleiter vollständig umgibt, schien
bisher eine Anwendung der magnetostriktiven Messsungsanordnung im
Bereich von Vorrichtungen zum Bewegen beweglicher Objekte, welche
von der Vorrichtung zu Beginn dauerhaft getrennt sein müssen
und nach Beendigung des Transports wieder dauerhaft getrennt werden müssen,
ungeeignet, denn ein ringförmiger Permanentmagnet lässt
sich bei der Bewegung eines beweglichen Objekts nicht ohne Weiteres über
einen Wellenleiter einfädeln.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für bewegliche
Objekte der beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass zuverlässig
Informationen über die Position des beweglichen Objekts
gewonnen werden können, wobei bevorzugt eine Erfassung
der Geschwindigkeit des beweglichen Objekts möglich werden
soll.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 12.
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Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung eine mit der Steuereinheit gekoppelte Positionsmesseinrichtung
auf, welche umfasst:
- – Mittel zum
Aussenden von Signalen,
- – Mittel zum Erfassen von Antwortsignalen auf die ausgesandten
Signale,
- – Mittel zum Erfassen des zeitlichen Abstands zwischen
dem Aussenden von Signalen und dem Erfassen der Antwortsignale auf
diese,
- – Mittel zum Ableiten der Position eines beweglichen
Objekts, das mit einem Mittel zum Erzeugen oder Beeinflussen der
Antwortsignale versehen ist, aus dem erfassten zeitlichen Abstand.
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Die
Positionsmesseinrichtung macht also von einer Laufzeitmessung Gebrauch,
die einfach und unaufwändig umsetzbar ist.
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Eine
besonders unaufwändige Ausführungsform macht Gebrauch
von Signalen, die über die Luft von den Mitteln zum Aussenden
zu dem beweglichen Objekt gesandt werden. Dadurch gibt es eine besonders
eindeutige Trennung zwischen dem ortfesten Teil der Positionsmesseinrichtung
und dem beweglichen Objekt. Am besten ist es, wenn die ausgesandten
Signale durch das bewegliche Objekt direkt wieder zurückgesandt
werden, so dass die Antwortsignale die nach dem Rücksenden
eintreffenden ursprünglich ausgesandten Signale selbst
sind. Beispielsweise können die Mittel zum Aussenden Lichtsignale
aussenden, diese können von einem Spiegel an einem beweglichen
Objekt reflektiert werden und von geeigneten Erfassungsmitteln erfasst
werden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform umfasst die Positionsmesseinrichtung
einen ausgedehnten Körper, an dem die beweglichen Objekte beim
Transport vorbeigeführt werden, und die Mittel zum Aussenden
von Signalen sind als Mittel zum Einkoppeln von Signalen in den
ausgedehnten Körper ausgebildet. Es wird hierbei eine präzise
Positionsmessung ermöglicht.
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Die
bei diesem Aspekt der Erfindung verwendete Positionsmesseinrichtung
weist somit als aktives Teil (welches verkabelt werden muss und
daher stillstehen muss) einen ausgedehnten Körper auf und
als passives Teil ein Teil, das an dem beweg lichen Objekt angeordnet
sein kann und wegen der Ausdehnung des aktiven Teils selbst nicht
notwendigerweise ausgedehnt sein muss und idealerweise quasi punktförmig
ist. Das passive Teil kann daher leicht an dem beweglichen Objekt
befestigt werden, ohne am beweglichen Objekt stark zu stören.
Durch die Verwendung eines ausgedehnten Körpers ist die Messung
der Position des beweglichen Objekts über die gesamte Strecke,
an der das bewegliche Objekt an dem ausgedehnten Körper
entlang geführt wird, im Zweifel also über die
gesamte Länge des ausgedehnten Körpers, möglich.
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Bevorzugt
wird eine Positionsmesseinrichtung verwendet, die auf der Magnetostriktion
beruht. Das Verwenden einer derartigen Positionsmesseinrichtung
in einer Transportvorrichtung für bewegliche Objekte ist
dann möglich, wenn an Stelle des oben beschriebenen ringförmigen
Permanentmagneten ein nichtringförmiger, insbesondere ein
stabförmiger Permanentmagnet, verwendet wird. Die Erfindung beruht
in diesem Aspekt darauf, dass auch bei Verwendung eines stabförmigen,
am beweglichen Objekt befestigten Permanentmagneten bei in einen
ferromagnetischen und damit magnetostriktiven ausgedehnten Körper
eingekoppelten Stromimpulsen torsionale Körperschallwellen
mit ausreichender Amplitude erzeugt werden können, dass
sie mit geeigneten Mitteln erfasst werden können.
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Damit
die mit dem beweglichen Objekt versehenen Mittel zum Erzeugen oder
Beeinflussen der Anwortsignale nicht an die Mittel zum Einkoppeln
von Signalen und Mittel zum Erfassen von Antwortsignalen anstoßen,
kann der ausgedehnte Körper zumindest einen gekrümmten
Abschnitt aufweisen, an den eben die Mittel zum Einkoppeln und Mittel
zum Erfassen angebracht werden (insbesondere wenn es sich bei dem
gekrümmten Abschnitt um einen Endabschnitt handelt). Wenn
ein zentraler Abschnitt des ausgedehnten Körper geradlinig
ist, so kann dies der Abschnitt sein, längs von dem die
Position zuverlässig gemessen wird.
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Dadurch,
dass der ausgedehnte Körper bereitgestellt wird, kann sich
die Positionsmesseinrichtung bis in einen Bereich außerhalb
des Linearmotor-Primärteils erstrecken. Dies ist insbesondere dann
hilfreich, wenn die Transportvorrichtung ein zu dem Linearmotor-Primärteil
führendes Förderband umfasst. Erstreckt sich dann
der ausgedehnte Körper bis hin in einen Endabschnitt des
Förderbands, kann die Position des beweglichen Objekts
bereits gemessen werden, wenn es sich noch auf dem Förderband befindet.
Damit kann die Übergabe des beweglichen Objekts von dem
Förderband in den Linearmotor zuverlässig gestaltet
werden, z. B. mit Hilfe einer Geschwindigkeitsregelung.
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Für
eine zuverlässige Ansteuerung, insbesondere für
eine Regelung, ist es hilfreich, wenn die Positionsinformationen,
welche die Steuereinheit von der Positionsmesseinrichtung empfängt,
dazu genutzt werden, auf die Geschwindigkeit des beweglichen Objekts
zurückzuschließen, insbesondere diese zu messen.
Es kann außerdem auch auf einen Sollkommutierungswinkel
für den Strom, mit dem der Linearmotor zu beaufschlagen
ist, geschlossen werden. Der zu wählende Kommutierungswinkel
ist eine Funktion von Position und Geschwindigkeit. Bei feststehender
Geschwindigkeit ergibt er sich aus einer „Moduln"-Berechnung
der Position. Im Abstand einer vorbestimmten Streckeneinheit wiederholt
sich der Kommutierungswinkel (nämlich nach Durchlaufen von
360°).
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Es
sollte beim Ableiten des Soll-Kommutierungswinkels ein möglichst
geringer Fehler auftreten. Ein Fehler kann dadurch zustande kommen,
dass in der Positionsmesseinrichtung Totzeiten auftreten: Eine Messwertabfrage
erfolgt jede Millisekunde. Ein Messwert liegt somit mit bis zu einer
1 ms Verzögerung vor. Die Steuereinheit kann so ausgelegt
sein, beim Ableiten des Soll-Kommutierungswinkels die Totzeiten
zu korrigieren, und zwar durch eine geeignete Software-Korrekturfunktion.
Es muss hierzu bekannt sein, wann der Messwert eintrifft. Dies ist
von der Lage des beweglichen Objekts abhängig. Bevorzugt
wird auch die Geschwindigkeit berücksichtigt und daraus
die zum Zeitpunkt des Vorliegens des Messwerts tatsächliche
Position abgeleitet und der zugehörige Kommutierungswinkel
gewählt.
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Wie
bereits oben erwähnt, ist der Linearmotor bevorzugt ein
Langstator-Linearmotor.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt eine
Transfervorrichtung für Werkstückträger.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren verwendet bevorzugt
die erfindungsgemäße Transfervorrichtung und sieht
bevorzugt wie folgt aus: Beim Transport von Werkstückträgern
in einer Transfervorrichtung, die die Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Vorrichtung hat, wird wiederholt die Position der Werkstückträger
erfasst. Durch die Steuereinheit wird aufgrund von Positionsmesssignalen
auf die Geschwindigkeit des Werkstückträgers zurückgeschlossen.
Die Steuereinheit beaufschlagt das Linearmotor-Primärteil
dann mit einem solchen Strom, dass die Geschwindigkeit auf einen
Sollwert geregelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird durch das Bereitstellen der Positionsmesseinrichtung mit dem ausgedehnten
Körper ermöglicht, denn der ausgedehnte Körper
ermöglicht die wiederholte Messung der Position bei der
Bewegung des beweglichen Objekts an ihm vorbei.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
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1 schematisch
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung veranschaulicht
und
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2 zur
Veranschaulichung des Funktionsprinzips bei einem zweiten Aspekt
der Erfindung dient.
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Eine
in 1 im Ganzen mit 10 bezeichnete Transfervorrichtung
dient zum Transport von Werkstückträgern 12, 12' in
Richtung der Pfeile 14, 14'. Es werden hierbei
Linearmotoren verwendet. Der Linearmotor ist durch ein Primärteil 16 bzw. 16' einerseits und
einen Werkstückträger 12, 12' als
Sekundärteil andererseits gebildet. Da sich das Sekundärteil 12, 12' relativ
zum Primärteil 16, 16' bewegt, handelt
es sich um einen Langstator-Linearmotor.
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Die
Primärteile 16, 16' werden durch zugeordnete
Steuereinheiten 18, 18' angesteuert, nämlich mit
einem geeigneten Strom beaufschlagt, damit sich der Werkstückträger 12 bzw. 12' bewegt.
Es soll nun ermöglicht werden, dass die Geschwindigkeit,
mit der sich die Werkstückträger 12 und 12' bewegen,
geregelt wird. Hierzu wird eine geeignete Positionsmesseinrichtung
in der Transfervorrichtung 10 bereitgestellt. Vorliegend
ist eine erste Positionsmesseinrichtung dem Linearmotor-Primärteil 16 mit
der Steuereinheit 18 zugeordnet und eine zweite Positionsmesseinrichtung
dem Linearmotor-Primärteil 16' mit der Steuereinheit 18' zugeordnet.
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Die
Positionsmesseinrichtungen basieren auf dem Prinzip der Magnetostriktion.
Hierzu ist ein stabförmiger Ferromagnet 20 bzw. 20' bereitgestellt, der
einen geradlinigen Bereich aufweist und von diesem zu einem Ende 22 bzw. 22' hin
abknickt. Durch eine Einkoppel- und Erfassungseinheit 24 bzw. 24' werden
Stromimpulse in den Ferromagneten 20 eingekoppelt. Die
Stromimpulse erzeugen um den Ferromagneten 20 herum ringförmig
ein Magnetfeld. Nun ist an den Werkstückträgern 12 bzw. 12' jeweils ein
Permanentmagnet 26, 26' befestigt, der z. B. stabförmig
ausgebildet sein kann. Die Anordnung ist dergestalt, dass der Permanentmagnet 26 bzw. 26' bei
der Bewegung des Werkstückträgers entsprechend
den Pfeilen 14 und 14' an dem Ferromagneten 20 und 20' dicht
vorbeigeführt wird, ohne diesen zu berühren. Das
Magnetfeld des Permanentmagneten 26 bzw. 26' bewirkt
nun bei eintreffenden Stromimpulsen eine Torsinn des Ferromagneten 20,
es bildet sich also eine dementsprechende torsionale Körperschallwelle
in dem Ferromagneten 20 aus, und zwar in zwei entgegengesetzte
Richtungen. Die Körperschallwelle, welche sich zu dem freien
Ende des Ferromagneten 20 bewegt, wird gedämpft
und bewirkt weiter nichts.
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Die
Körperschallwelle, die sich zu der Einheit 24 hin
bewegt, kann durch eine Anordnung aus ferromagnetischem Metallstreifen,
Permanentmagneten und Detektionsspule detektiert werden, sie induziert nämlich
einen Strom in dieser Spule. Die Einheit 24 kann den zeitlichen
Abstand zwischen dem Aussenden der Stromimpulse und dem Empfangen
der Antwortsignale, nämlich dem aufgrund der Körperschallwelle
in der Detektionsspule induzierten Strom erfassen. Dieser zeitliche
Abstand ist laufzeitabhängig, nämlich von der
Laufzeit der Stromimpulse von der Einheit 24 zu dem Ort
des Permanentmagneten 26 hin und der Laufzeit der Körperschallwelle
von dem Ort des Permanentmagneten 26 zur Einrichtung 24 zurück.
Damit ist der zeitliche Abstand zwischen dem Einkoppeln der Stromimpulse
und dem Erhalt der Antwortsignale von der Position des Permanentmagneten 26 abhängig.
Diese Messinformation wird der Steuereinheit 18 zugeführt.
Wird die Messung wiederholt, kann die Steuereinheit 18 die
Geschwindigkeit des Werkstückträgers 12 im
Bereich des Ferromagneten 20 ermitteln. Dann ist es möglich,
die Geschwindigkeit des Werkstückträgers 12 auf
einen vorbestimmten Wert zu regeln.
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Durch
diese Regelung wird ein besonders stabiler Transport von Werkstückträgern 12 und 12' in
Transfervorrichtungen ermöglicht. Aus dem gemessenen zeitlichen
Abstand kann wegen der Positionsinformation auch auf einen Kommutierungswinkel zurückgeschlossen
werden, und die Steuereinheit 18 kann den Linearmotor mit
einem entsprechenden Signal beaufschlagen, so dass der Werkstückträger 12 auch
wegen geeigneter Wahl des Kommutierungswinkels besonders stabil
läuft.
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Die
Ferromagneten 20 bzw. 20' ragen über den
Bereich der Linearmotor-Primärteile hinaus. Es ist möglich,
das sie bis in den Bereich eines in der FIG. nicht gezeigten Förderbands
ragen, über welches die Werkstückträger 12 und 12' zugeführt
werden. Dann ist es möglich, die Position und Geschwindigkeit
der Werkstückträger 12, 12' bereits
zu erfassen, bevor sie das Förderband verlassen, so dass
in der Transfervorrichtung ein Linearmotor-Primärteil 16 bzw. 16' entsprechend
angesteu ert werden kann, damit der einlaufende Werkstückträger 12 und 12' möglichst
mit kontinuierlicher Bewegung weitertransportiert wird.
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Das
Funktionsprinzip einer Positionsmessung bei einer gegenüber
der in 1 gezeigten Transfervorrichtung 10 abgewandelten
Transfervorrichtung wird im Folgenden nun anhand von 2 erläutert.
In 2 nicht gezeigte Bauteile der Transfervorrichtung
(insbesondere das Linearmotor-Primärteil und die Steuereinheit
zum Steuern desselben) sollen sich nicht von den entsprechenden
Bauteilen herkömmlicher Transfervorrichtungen, wie auch
in 1 gezeigt, unterscheiden. Ein Werkstückträger 12'' bewegt
sich in Richtung des Pfeils 14''. An dem Werkstückträger 12'' ist
ein Reflektor, insbesondere Spiegel, 28 angebracht. Der
Spiegel 28 ist leicht gekippt, so dass seine Flächennormale nicht
in Richtung des Pfeils 14'' zeigt. Nun ist in der Transfervorrichtung
eine Sende-/Empfangseinrichtung 30 bereitgestellt, welche
Lichtsignale 32 in demselben Winkel zur Bewegungsrichtung
des Werkstückträgers 12'' gemäß dem
Pfeil 14'' aussendet wie der Spiegel 28 gekippt
ist. Der Lichtstrahl 32 wird aus diesem Grund bei Bewegung
des Werkstückträgers 12'' gemäß dem
Pfeil 14'' zu der Sende-/Empfangseinrichtung zurückreflektiert.
In an sich bekannter Weise (wie z. B. in dem Buch von Th.
Burkhardt, A. Feinäugle, S. Ferican, A. Forkl, "Lineare
Weg- und Abstandssensoren", 2004, insbesondere auf Seite 49 bzgl.
Abbildung 30 beschrieben) wird nun die Lichtlaufzeit erfasst, also
der zeitliche Abstand zwischen dem Aussenden des Lichtstrahls durch
die Sende-/Empfangseinrichtung 30 und dem Empfangen des
Lichtstrahls. Die Lichtlaufzeit ist nun genau von der Position des
Werkstückträgers 12'' abhängig, denn
diese Position bestimmt auch die Luftstrecke, die das Licht durchläuft.
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Der
Spiegel 28 muss im Regelfall leicht gekippt sein, weil
die Sende- und Empfangseinrichtung sonst den Werkstückträger 12'' beim
Transport hindern würde. Die Größe des
Spiegels 28 bestimmt den theoretisch möglichen
Positionsmessbereich, denn der Lichtstrahl 32 trifft je
nach Position des Werkstückträ gers 12'' auf
unterschiedlichen Stellen des Spiegels 28 auf. Der theoretisch
mögliche Messbereich ist in 2 durch
den Doppelpfeil 34 dargestellt. Die linke Pfeilspitze gibt
die Stelle an, an der der Lichtstrahl 32 gerade noch auf
das in 2 untere Ende des Spiegels 28 auftrifft,
und die rechte Pfeilspitze gibt den Punkt an, an dem der Lichtstrahl 32 gerade
an dem in 2 oberen Ende des Spiegels 28 auftrifft.
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Anstatt
mit Licht kann eine nach Art der 2 gebaute
Anordnung auch mit Schall, insbesondere mit Ultraschall arbeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - http://www.mtssensor.de/fileadmin/medien/downloads/mts_messpr
inzip.pdf [0008]
- - Buch von Th. Burkhardt, A. Feinäugle, S. Ferican,
A. Forkl, "Lineare Weg- und Abstandssensoren", 2004, insbesondere
auf Seite 49 [0033]