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WO2008043614A2 - Messelement mit einer als massverkörperung fungierenden spur und korrespondierendes, mit einem solchen messelement ausführbares messverfahren - Google Patents

Messelement mit einer als massverkörperung fungierenden spur und korrespondierendes, mit einem solchen messelement ausführbares messverfahren Download PDF

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WO2008043614A2
WO2008043614A2 PCT/EP2007/059319 EP2007059319W WO2008043614A2 WO 2008043614 A2 WO2008043614 A2 WO 2008043614A2 EP 2007059319 W EP2007059319 W EP 2007059319W WO 2008043614 A2 WO2008043614 A2 WO 2008043614A2
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WO
WIPO (PCT)
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track
measuring element
scanning
partial
graduation
Prior art date
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PCT/EP2007/059319
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Roland Finkler
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Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to US12/311,711 priority patent/US8020310B2/en
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Publication of WO2008043614A3 publication Critical patent/WO2008043614A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2454—Encoders incorporating incremental and absolute signals
    • G01D5/2455—Encoders incorporating incremental and absolute signals with incremental and absolute tracks on the same encoder

Definitions

  • a position in particular an absolute position, z.
  • a machine axis or the like for example in a machine tool, production machine and / or a robot, encoders are used.
  • sensors for detecting the position, d. H. the position a measuring element, which may be present as a linear element or as a rotary element, wherein the measuring element has one or more tracks with a respective measuring scale in the form of increments, which are scanned by sensors for determining the position.
  • an absolute value coder which comprises a code plate with a single track absolute value pattern, a first incremental pattern with a first period and a second incremental pattern with a second period, the smallest reading unit of the single track Absolute value pattern of the first period corresponds to and the second period by a factor which is an integer power of two, is smaller than the first period.
  • a detector section is movable relative to the code plate and contains means for detecting the absolute value pattern to generate an absolute value pattern signal. With a device for detecting the first incremental pattern, a first incremental pattern signal is generated and with a device for detecting the second incremental pattern, a second incremental pattern signal is generated.
  • the measuring element according to the invention and the measuring method according to the invention have the advantage that they allow the determination of the absolute position within a complete revolution or the complete travel range of a linear axis basically with only a single track acting as a material measure.
  • the invention has the advantage that the position within such a range can be determined with a higher accuracy than is possible with only a single incremental track with only one graduation period. Compared to the use of two or more such incremental tracks, such as in the
  • Sensors having the measuring element according to the invention are preferably used in the technical field of machine tools, production machines, robots and the like.
  • the possibility of a compact design, which goes hand in hand with the necessity of only one track, proves to be advantageous.
  • Equation (52) results from the measured sensor signals x m , y m , x n , y n and the known quantities m, n, ⁇ m , ⁇ n . Due to the equality with the left side, this theoretically yields an integer. In practice, due to measurement inaccuracies, only approximately an integer will result. Therefore, the right-side value is rounded to the nearest whole number.
  • the integer solutions k m , k n under the constraints (30a), (30b) are now to be determined. Inserting in (40a) or (40b) gives the solution for the desired rotation angle ⁇ . In practice, insertion into (40a) for m> n and insertion into (40b) for m ⁇ n usually yields the more accurate value for the desired rotation angle ⁇ .
  • FIG. 2 shows a disk 30 which comprises a first track 12 of the type shown in FIG.
  • the disc 30 has a further track 32, which is referred to below as a further track 32 to distinguish it from the first track 12.
  • the first track 12 shown in FIG 2 results from the track 12 in Figure 1 z. B. in that the latter initially unwinds linearly and is compressed by a factor of three. Three copies of the compressed version are strung together and this sequence is finally wound up again to a ringfömigen track, so the first track 12.
  • the further track 32 functioning as an absolute track consists of a plurality of increments 32a, whose "lengths" or angular extent, ie the arc length of an angle exactly enclosing the respective increment 32a, are each an integral multiple of a common basic length As shown, this common base length is 1/6 turn.
  • the embodiment of a combination of the first track 12 and an additional track 32 embodied as an absolute track described above and illustrated in FIG. 2 thus constitutes a further aspect of the invention with an independently inventive character.
  • the track 12 functioning as an incremental track combines two incremental scales, so that instead of the In the prior art in connection with an absolute track for a comparable accuracy required two incremental tracks a track 12 of the type shown in FIG 1 is sufficient. Resolution and accuracy are limited only by the smaller of the two scale divisions.

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Abstract

Es wird ein Messelement (10) mit einer eine Maßverkörperung umfassenden, kreisförmigen oder linearen Spur (12) und einer Anzahl zur Abtastung der Spur (12) vorgesehener Sensoren angegeben, bei dem zur Abtastung der Spur (12) mindestens zwei die Sensoren umfassende Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24) vorgesehen sind. Bei dem Messelement (10) umfasst die Spur (12) zumindest eine erste und eine zweite Teilspur (14, 16) mit jeweils einer ersten und einer zweiten Maßteilungsperiode. Für jede vorkommende Maßteilungsperiode weist sodann einer der Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24) eine auf diese Maßteilungsperiode abgestimmte Sensoranordnung auf.

Description

Beschreibung
Messelement mit einer als Maßverkörperung fungierenden Spur und korrespondierendes, mit einem solchen Messelement aus- führbares Messverfahren
Die Erfindung betrifft ein Messelement mit mindestens einer Spur, wobei die Spur eine Maßverkörperung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein diesbezügliches Messverfahren.
Zur Bestimmung einer Lage, insbesondere einer Absolutlage, z. B. einer Maschinenachse oder dergleichen, beispielsweise bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder einem Roboter, werden Geber eingesetzt. Dabei weisen handels- übliche Geber zur Detektion der Lage, d. h. der Position, ein Messelement auf, das als lineares Element oder als rotatorisches Element vorliegen kann, wobei das Messelement eine oder mehrere Spuren mit einer jeweiligen Maßverkörperung in Form von Inkrementen aufweist, die von Sensoren zur Bestimmung der Lage abgetastet werden.
Aus der europäischen Patentschrift 0 116 636 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 Übergänge der Inkremente. Hierbei tritt der Nachteil auf, dass zum einen eine zusätzliche Sensorik für die Detektion der Übergänge notwendig ist und zum anderen üblicherweise acht und mehr Sensoren zur Bestimmung der Lage notwendig sind.
Aus der europäischen Patentschrift 0 503 716 ist ein Geber zur Bestimmung einer Absolutlage bekannt, wobei als Maßver- körperung eine Absolutspur und eine Inkrementalspur zu einer einzigen zusammengesetzten Spur kombiniert sind, wobei die Absolutspur derart gestaltet ist, dass ihre einzelnen Inkremente pseudo-zufällig verteilt sind. Dabei tritt der Nachteil auf, dass üblicherweise acht und mehr Sensoren benötigt werden, um die Lage ermitteln zu können.
Aus der EP 0 530 176 Al ist ein Längenmesssystem bekannt, bei dem als Maßverkörperung eine Inkrementalspur und eine Absolutspur zur Bestimmung einer Lage verwendet werden, wobei die Absolutspur der grobstufigen Erfassung der Lage dient und die zusätzliche Auswertung der Inkrementalspur schließlich einen genaueren Lagewert liefert.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 27 29 697 ist das Grundprinzip eines sin/cos-Gebers bekannt.
Aus den deutschen Patentanmeldungen 10 2004 004 099 und 10 2004 004 100 sind Positionssensoren zum Detektieren der Position eines Rotationskörpers und korrespondierende Messverfahren bekannt. Aus der DE 10 2004 062 278 ist ein Messelement mit einer Spur, wobei die Spur eine Maßverkörperung aufweist, die von mindestens zwei Sensoren zur Bestimmung ei- ner Lage abgetastet wird, bekannt, wobei die Maßverkörperung derart ausgebildet ist, dass die Sensoren als jeweiliges Ausgangssignal ein moduliertes sinusförmiges Spursignal zur Bestimmung der Lage ausgeben.
Aus der Veröffentlichung "Drehsensor für einen Kombinationsantrieb", www.ip.com, IPCOM000028605D, Christoph Nolting, Hans-Georg Köpken, Günter Schwesig, Rainer Siess, ist ein Drehsensor für einen Kombinationsantrieb bekannt.
Aus der DE 41 23 722 ist ein Absolutwert-Kodierer bekannt, der eine Kodeplatte mit einem Einspur-Absolutwert-Muster, einem ersten Inkrementalmuster mit einer ersten Periode und einem zweiten Inkrementalmuster mit einer zweiten Periode um- fasst, wobei die kleinste Leseeinheit des Einspur- Absolutwert-Musters der ersten Periode entspricht und die zweite Periode um einen Faktor, der eine ganzzahlige Zweierpotenz ist, kleiner ist als die erste Periode. Ein Detektorabschnitt ist relativ zu der Kodeplatte beweglich und enthält eine Einrichtung zum Erfassen des Absolutwert-Musters, um ein Absolutwert-Mustersignal zu erzeugen. Mit einer Einrichtung zum Erfassen des ersten Inkrementalmusters wird ein erstes Inkrementalmustersignal und mit einer Einrichtung zum Erfas- sen des zweiten Inkrementalmusters wird ein zweites Inkrementalmustersignal erzeugt. Aus dem ersten Inkrementalmustersignal wird durch Interpolieren ein im Zyklus kürzeres Inkrementalmustersignal erzeugt und dieses wird mit dem zweiten Inkrementalmustersignal synchronisiert. Das Absolutwert-Muster- signal, das zweite Inkrementalmustersignal und das synchronisierte erste Inkrementalmustersignal repräsentieren die relative Lagebeziehung zwischen der Kodeplatte und dem Detektorabschnitt .
Aus der WO 89/11080 ist des Weiteren ein lagecodierter Geber bekannt, bei dem zur jederzeitigen Erzeugung eines lagecodierten Signals zwei Spuren mittels zweier Sensoren abgetastet werden, die je ein sinusförmiges Signalpaar oder ein ähnliches periodisches Signal mit einer jederzeit definierten Phasenlage erzeugen, deren Periodenlänge sich wie m/(m-l) verhalten, so dass sich ein gesuchter Relativabstand aus einer Differenz der beiden Phasenlagen ergibt.
Schließlich wird zum Stand der Technik noch auf die Veröf- fentlichung „Verfahren und Vorrichtung zur Positionsmessung mit mehr als zwei Sensoren", www.ip.com, IPCOM000035541D, Roland Finkler, Hans-Georg Köpken, verwiesen, auf die im weiteren Verlauf der Beschreibung noch gesondert Bezug genommen wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Messelement und ein einfaches Messverfahren zur Bestimmung einer Lage, insbesondere einer Absolutlage, anzugeben .
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Messelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dazu sind bei einem Messelement mit einer eine Maßverkörperung umfassenden Spur und einer Anzahl die Spur abtastenden Sensoren mindestens zwei die Sensoren umfassende, relativ zur Spur bewegliche Abtastköpfe vorgesehen, wobei die Spur zumindest eine erste und eine zweite Teilspur mit jeweils einer ersten und einer zweiten Maßtei- lungsperiode umfasst und für jede vorkommende Maßteilungsperiode einer der Abtastköpfe eine auf diese Maßteilungsperiode abgestimmte Sensoranordnung aufweist.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Messverfahren mit den Merkmalen des diesbezüglichen unabhängigen Anspruchs. Dazu ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Entscheidungssignale, welche aus den Signalen der einzelnen Sensoren gebildet werden, in Bezug auf eine Erfüllung vorgegebener oder vorgebbarer Kriterien ausgewertet werden. Die Erfüllbarkeit be- stimmter Kriterien ist dabei von einem geeigneten Zusammenhang zwischen Maßteilungsperiode und Sensoranordnung abhängig. Sobald erkannt ist, welche der Kriterien erfüllt sind, kann anhand der Sensorsignale die Lage z. B. einer Maschinenachse bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Messelement und das erfindungsgemäße Messverfahren weisen den Vorteil auf, dass sie die Ermittlung der absoluten Position innerhalb einer vollständigen Umdrehung oder des vollständigen Verfahrbereichs einer Linearachse grundsätzlich mit nur einer einzelnen als Maßverkörperung fungierenden Spur ermöglichen.
Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet. In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Un- teransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Vergleichsweise einfache mathematische Beziehungen zur Er- mittlung der absoluten Lage ergeben sich, wenn das Messelement Teilspuren, die entsprechend genau zwei verschiedenen Maßteilungsperioden dimensioniert sind und sechs Abtastköpfe aufweist, von denen drei in ihrer Sensoranordnung auf die erste dieser Maßteilungsperioden und drei weitere in ihrer Sensoranordnung auf die zweite dieser Maßteilungsperioden abgestimmt sind.
Die Lösbarkeit eines einer Ermittlung der Absolutlage zugrunde liegenden Gleichungssystems wird günstig beeinflusst, wenn die Abfolge der Teilspuren und die Anordnung der Abtastköpfe zueinander und in Bezug auf die Abfolge der Teilspuren derart gewählt sind, dass immer für jede der Maßteilungsperioden eine Teilspur mit dieser Maßteilungsperiode von zumindest einem Abtastkopf erfasst wird, der in seiner Sensoranordnung dieser Maßteilungsperiode entspricht.
Wenn jeweils zwei Abtastköpfe unterschiedlicher Sensoranordnung räumlich zusammengefasst sind, lässt sich die o.g. Anordnung vergleichsweise einfach erzielen.
Optional sind zum Erhalt eines ausreichend bestimmten Gleichungssystems zur Ermittlung der Absolutlage jedem Abtastkopf mindestens vier Sensoren zugeordnet.
Wenn neben der Spur eine weitere Spur vorgesehen ist, die als Absolutspur ausgeführt ist, ist auch eine genaue Lage innerhalb eines kleineren Bereichs, beispielsweise innerhalb eines oder mehrerer Inkremente der Absolutspur, ermittelbar. Insgesamt kann damit eine Absolutposition bestimmt werden, indem in einem ersten Schritt mit Hilfe der Absolutspur eine
Groblage und in einem zweiten Schritt unter zusätzlicher Zuhilfenahme der anderen Spur eine genauere Position bestimmt wird. In diesem Fall weist die Erfindung den Vorteil auf, dass die Lage innerhalb eines solchen Bereichs mit einer höheren Genauigkeit ermittelt werden kann, als dies mit nur einer einzigen Inkrementalspur mit nur einer Maßteilungsperiode möglich ist. Gegenüber der Verwendung von zwei oder mehrer solcher Inkrementalspuren, wie beispielsweise in der
DE 41 23 722 Al beschrieben, weist die Erfindung dagegen den Vorteil auf, dass nur eine zusätzliche Spur neben der Absolutspur benötigt wird.
Geber, die das erfindungsgemäße Messelement aufweisen, werden bevorzugt auf dem technischen Gebiet der Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen, Roboter und dergleichen eingesetzt. Hier erweist sich vor allem die Möglichkeit einer kompakten Bauform, die mit der Notwendigkeit nur einer Spur einhergeht, als vorteilhaft.
Vorteilhafte Ausbildungen des Messverfahrens ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen des Messelements und umgekehrt .
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hin- blick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen. Insbesondere sind die Ausführungsbeispiele nicht als Ein- schränkung auf den Fall von Drehbewegungen zu verstehen, nachdem die hier und im Folgenden beschriebenen Ansätze gemäß der Erfindung ohne weiteres auch auf den Fall linearer Bewegungen übertragbar sind.
Darin zeigen
FIG 1 ein Messelement gemäß der Erfindung mit einer eine
Maßverkörperung umfassenden kreisförmigen Spur
und
FIG 2 eine Scheibe mit einer je eine Maßverkörperung umfassenden ersten und zweiten Spur, wie sie zur Ver- wendung in einem Messelement geeignet und vorgesehen ist.
Messelemente mit z. B. zwei Inkrementalspuren sind allgemein bekannt. Ebenso bekannt sind die mathematischen Grundlagen, um anhand von jeweils eine der Spuren erfassenden Sensoren und diesbezüglichen Sensorsignalen eine Lage, bei kreisrunden, konzentrischen Spuren einen zu erfassenden Drehwinkel φ, als relative Lagebeziehung zwischen den Spuren und Sensor/Sensoren zu ermitteln. Bei zwei Inkrementalspuren mit m bzw. n Maßteilungsperioden ist z. B. jeder Inkrementalspur je ein Abtastkopf mit jeweils zwei Sensoren zugeordnet. Bei gleichförmiger Drehbewegung einer solche Spuren umfassenden Scheibe liefert jeder Sensor ein sinusförmiges Signal, wobei die beiden Signale je eines Abtastkopfes um 90° phasenver- schoben sind. Abhängig vom zu erfassenden Drehwinkel φ ergeben sich damit folgende Sensorsignale
xm(φ) = Am • sin(mφ + γm) , (10a) ym(φ) = Am • cos (mφ + γm) , (10b) Xn (φ) = An • sin(nφ + γn) , (10c) yn (φ) = An • cos (nφ + γn) , (1Od) wobei γm und γn Konstanten sind, die von der Lage der Sensoren abhängen. Entsprechend dem sin/cos-Geber-Prinzip (vgl. z. B. DE 27 29 697) lässt sich nun aus (10a, 10b) mφ und aus (10c, 1Od) nφ bestimmen und zwar wie folgt:
mφ = -γm + atan2 (ym, xm) + km • 2π
= -γm + arg (xm + j • ym) + km • 2π, ( 20a ) nφ = -γn + atan2 ( yn, xn) + kn • 2π
= -γn + arg (xn + j • yn) + kn • 2π ( 20b)
Dabei bedeuten „atan2 (b, a) " und ,,arg(a+jb)" mit reellen a und b das Argument der komplexen Zahl a+jb und km, kn stehen für zunächst noch unbekannte ganze Zahlen zwischen 0 und m-1 bzw. n-1, d. h.
km e {0, 1 ... m-1}, (30a) kn e {0, 1 ... n-1} . (30b)
Nach einer Division von (20a) durch m und (20b) durch n er- gibt sich
φ = -γm/m + atan2 (ym, xm) /m + km • 2π/m
= -γm/m + arg(xm + j • ym) /m + km • 2π/m, (40a) φ = -γn/n + atan2 (yn, xn) /n + kn • 2π/n = -γn/n + arg(xn + j • yn) /n + kn • 2π/n. (40b)
Unter der Voraussetzung, dass m und n teilerfremd sind, d. h., dass das kleinste gemeinsame Vielfache von m und n gleich dem Produkt von m und n ist, d. h.
kgV (m, n) = m • n, (50)
besitzt das Gleichungssystem (40a, 40b) unter der Nebenbedingung (30a, 30b) genau eine Lösung. In diesem Fall lässt sich aus den Sensorsignalen xm, ym, xn, yn also eindeutig der Drehwinkel φ bestimmen. Eine Methode zur Bestimmung des Drehwinkels φ ist beispielsweise Folgende:
Durch Gleichsetzen der beiden rechten Seiten der Gleichungen (40a) und (40b) , Multiplikation mit „m n / 2π" und Umstellung erhält man die Gleichung
kmn - knm = [nγm - mγn + m • atan2 (yn, xn) - n • atan2 (ym, xm) ] / 2π . (52)
Die rechte Seite der Gleichung (52) ergibt sich aus den gemessenen Sensorsignalen xm, ym, xn, yn und den bekannten Größen m, n, γm, γn. Wegen der Gleichheit mit der linken Seite ergibt sich hier theoretisch eine ganze Zahl. Praktisch wird sich aufgrund von Messungenauigkeiten nur näherungsweise eine ganze Zahl ergeben. Daher wird der sich für die rechte Seite ergebende Wert auf die nächste ganze Zahl gerundet. Für die sich so ergebende Gleichung sind nun die ganzzahligen Lösungen km, kn unter der Nebenbedingung (30a) , (30b) zu ermit- teln. Einsetzen in (40a) oder (40b) ergibt die Lösung für den gesuchten Drehwinkel φ. In der Praxis liefert dabei üblicherweise Einsetzen in (40a) für m > n und Einsetzen in (40b) für m < n den genaueren Wert für den gesuchten Drehwinkel φ.
Eine alternative Methode zur Bestimmung von φ ergibt sich aus der WO89/11080. Dort ist ein Verfahren zur Bestimmung von φ aus mφ und nφ für den Fall |m-n| = 1 beschrieben, wobei mφ und nφ nach dem sin/cos-Geberprinzip gemäß den Gleichungen (20a, b) bestimmt werden. In naheliegender Verallgemeinerung dieses Verfahrens lässt sich |m-n|φ aus mφ und nφ auch für |m-n| ≠ 1 entsprechend ermitteln. Durch Iteration des entsprechend verallgemeinerten Verfahrens lässt sich schließlich auch φ für |m-n| ≠ 1 bestimmen.
FIG 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Messelements 10. Das Messelement 10 umfasst eine Spur 12, die eine in Form von z. B. magnetischen oder magnetisierten Spursegmenten, im Folgenden als Inkremente 14a, 16a bezeichnet, realisierte Maßverkörperung aufweist. Bei der in FIG 1 dargestellten Ausführungsform der Spur 12 sind einzelne Inkremente 14a, 16a zu jeweils einer ersten und zweiten Teilspur 14, 16 zusammengefasst . Jeder Teilspur 14, 16, die als Inkrementalspur ausgeführt ist, ist genau eine
Maßteilungsperiode zu eigen. Die Teilspuren 14, 16 werden von zur Bestimmung einer Lage vorgesehenen Sensoren W, X, Y, Z abgetastet. Die Sensoren W, X, Y, Z sind dabei jeweils sechs zur Abtastung der Spur 12 vorgesehenen Abtastköpfen 18, 19, 20, 22, 23, 24 - erster, zweiter, dritter, vierter, fünfter und sechster Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 - zugeordnet. Jeder Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 umfasst also vier Sensoren W, X, Y, Z.
Im in FIG 1 dargestellten Beispiel einer kreisförmigen Spur
12 ist vorgesehen, dass die erste Teilspur 14 Inkremente 14a, beispielsweise in Form von Magnetpolen, der Winkelausdehnung π/m entsprechend einer Maßteilungsperiode von 2π/m und die oder jede zweite Teilspur 16 entsprechende Inkremente 16a der Winkelausdehnung π/n entsprechend einer Maßteilungsperiode von 2π/n hat. Eine Maßteilungsperiode umfasst in diesem Sinne also genau zwei Inkremente. Im Zusammenhang mit derartig festgelegten Maßteilungsperioden der Teilspuren 14, 16 ist vorgesehen, dass drei Abtastköpfe 18, 19, 20, nämlich der erste, zweite und dritte Abtastkopf 18, 19, 20, selbst eine auf die Maßteilungsperiode der ersten Teilspur 14 abgestimmte Sensoranordnung und drei weitere Abtastköpfe 22, 23, 24, nämlich der vierte, fünfte und sechste Abtastkopf 22, 23, 24, eine auf die Maßteilungsperiode der zweiten Teilspur 16 abge- stimmte Sensoranordnung haben.
In FIG 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ein Ausführungsbeispiel mit relativ wenigen Maßteilungsperioden, d. h. mit relativ kleinen Werten für m und n dargestellt (m = 9, n = 5) . In der Praxis sind für m und n aber auch größere Werte für m und n sinnvoll, beispielsweise Werte zwischen 100 und einigen 1000. Die Abfolge der Teilspuren 14, 16 und die Anordnung der Abtastköpfe 18, 19, 20, 22, 23, 24 zueinander und in Bezug auf die Abfolge der Teilspuren 14, 16 sind derart gewählt, dass immer zumindest einer der Abtastköpfe 18, 19, 20, 22, 23, 24 genau eine Teilspur 14, 16 erfasst, die in ihrer Maßteilungsperiode der Sensoranordnung des jeweiligen Abtastkopfes 18, 19, 20, 22, 23, 24 entspricht.
Für den Fall, dass der Zahlenwert von m größer ist als der Zahlenwert von n, ergibt sich dabei für die Anordnung der Sensoren W, X, Y, Z, dass diese in dem oder jedem auf die erste Teilspur 14 abgestimmten ersten, zweiten und dritten Abtastkopf 18, 19, 20 dichter angeordnet sind als in dem oder jedem auf die zweite Teilspur 16 abgestimmten vierten, fünf- ten und sechsten Abtastkopf 22, 23, 24. „Abgestimmt auf eine Teilspur" 14, 16 ist ein Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 dabei dann, wenn der Zwischenwinkel zweier aufeinanderfolgender Sensoren W, X, Y, Z des Abtastkopfes 18, 19, 20, 22, 23, 24 einem halben Inkrement 14a, 16a und damit einer viertel Maßteilungsperiode der betreffenden Teilspur 14, 16 entspricht. Bei der in FIG 1 dargestellten Ausführungsform sind jeweils zwei Abtastköpfe 18, 22; 19, 23; 20, 24 unterschiedlicher Sensoranordnung, also erster und vierter Abtastkopf 18, 22 zum ersten, zweiter und fünfter Abtastkopf 19, 23 zum zweiten und dritter und sechster Abtastkopf 20, 24 zum dritten, räumlich zusammengefasst angeordnet.
Die den jeweiligen Abtastköpfen 18, 19, 20, 22, 23, 24 zugeordneten Sensoren W, X, Y, Z sind zur eindeutigen Referenzie- rung mit Indizes bezeichnet. Diese beziehen sich auf die Sensoranordnung des jeweiligen Abtastkopfs 18, 19, 20, 22, 23, 24 und auf Abtastköpfe 18, 19, 20, 22, 23, 24 gleicher Sensoranordnung, nämlich erster und vierter Abtastkopf 18, 22 zum ersten, zweiter und fünfter Abtastkopf 19, 23 zum zweiten und dritter und sechster Abtastkopf 20, 24 zum dritten, also:
Wi,m, Xi,m, Yi,m, Zx,m (erster Abtastkopf 18); W2,m, X2,m, Y2,m, Z2,m (zweiter Abtastkopf 19); W3,m, X3,m, Ys,m, Z3,m (dritter Abtastkopf 20); Wi,n, Xi,n, Yi,n, Zx,n (vierter Abtastkopf 22) W2,n, X2,n/ Y2,n/ Z2,n (fünfter Abtastkopf 23) und W3,n, X3,n, Y3,n, Z3,n (sechster Abtastkopf 24) .
Von den Sensoren W, X, Y, Z gelieferte Sensorsignale w, x, y, z werden in Anlehnung an die Referenzierung der Sensoren W, X, Y, Z mit Kleinbuchstaben wie folgt bezeichnet:
wi,m(φ), xi,m(φ), yi,m(φ), zi,m(φ); w2,m(φ), x2,m(φ), Y2,m(φ), z2,m(φ); w3,m(φ), x3,m(φ), y3,m(φ), z3,m(φ); wi,n(φ), χi,n(φ), yi,n(φ), zi,n(φ); w2,n(φ), x2,n(φ), y2,n(φ), z2,n(φ) und w3,n(φ), X3,n(φ), Y3,n(φ), z3,n(φ).
Falls sich die Sensoranordnung eines der Abtastköpfe 18, 19, 20, 22, 23, 24, der mit seinen Sensoren W, X, Y, Z die Signale wk,q(φ), xk,q(φ), yk,q(φ), zk,q(φ) (k e {1, 2, 3}; q e {m, n}) liefert, vollständig über einer Teilspur 14, 16 befindet, ergeben sich die Sensorsignale w, x, y, z bei einer Maßteilungsperiode der jeweiligen Teilspur 14, 16 von 2π/q zu:
wk,q(φ) = -Ak,q • sin(qφ + γk,q) , (60a) xk,q(φ) = Ak,q • cos (qφ + γk,q) , (60b) yk,q(φ) = Ak,q • sin(qφ + γk,q) , (60c) zk,q(φ) = -Ak,q • cos (qφ + γk,q) . (6Od)
Ob sich der jeweilige Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 dabei vollständig über einer seiner Sensoranordnung entsprechenden Teilspur 14, 16 befindet, ist anhand von aus den o.g. Sensorsignalen w, x, y, z gebildeten Entscheidungssignalen SA;k,q, SB;k,q erkennbar. Diese werden dabei für jeden Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 wie folgt gebildet:
SA;k,q = wk,q(φ) + yk,q(φ)
und 3B ; k, q = xk, q (φ) + zk, q (φ)
Dabei beziehen sich die Entscheidungssignale SA;k,q und SB;k,q - für k = 1 und q = m auf den ersten Abtastkopf 18,
- für k = 2 und q = m auf den zweiten Abtastkopf 19, für k = 3 und q = m auf den dritten Abtastkopf 20,
- für k = 1 und q = n auf den vierten Abtastkopf 22, für k = 2 und q = n auf den fünften Abtastkopf 23, - für k = 3 und q = n auf den sechsten Abtastkopf 24.
Wenn das erste und das zweite Entscheidungssignal SA;k,q, SB;k,q gleichzeitig (innerhalb gewisser vorgegebener oder vorgebba- rer Toleranzen) einem vorgegebenen oder vorgebbaren Kriterium genügt, z. B. derart, dass erstes und zweites Entscheidungssignal SA;k,q, SB;k,q verschwinden oder betragsmäßig zumindest unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes verbleiben, ist in Bezug auf den jeweiligen Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 eine Position erkannt, in der dieser sich vollständig über einer Teilspur 14, 16 befindet, die in ihrer Maßteilungsperiode der Sensoranordnung des jeweiligen Abtastkopfes 18, 19, 20, 22, 23, 24 entspricht. Der Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 befindet sich also exakt über einer „pas- senden" Teilspur 14, 16.
Bei geeigneter Abfolge der Teilspuren 14, 16 und geeigneter Anordnung der Abtastköpfe 18, 19, 20, 22, 23, 24 zueinander und in Bezug auf die Abfolge der Teilspuren 14,16 es nun so, dass sich immer, also unabhängig vom Drehwinkel φ, einer der Abtastköpfe 18, 19, 20, welche die Sensorsignale
Wk,m(φ), xk,m(φ), yk,m(φ), zk,m(φ) k e {1, 2, 3}
liefern, über einer „passenden" Teilspur 14 liegt, und ebenso einer der Abtastköpfe 22, 23, 24, welche die Sensorsignale
Wk,n(φ), xk,n(φ), yk,n(φ), zk,n(φ) k e {1, 2, 3} liefern, über einer „passenden" Teilspur 16 liegt. Damit kann der Drehwinkel φ, insbesondere durch analoge Anwendung der eingangs beschriebenen Beziehungen, wie folgt bestimmt wer- den :
1. Bestimme Abtastköpfe 18, 19, 20, 22, 23, 24, die über der jeweils zu ihnen passenden Teilspur 14, 16 liegen. D. h. bestimme k m und k n mit
Wkm,m(φ) + Ykm,m(φ) = Xkm,m(φ) + zk m,m(φ) = 0, (70a)
Wkn,n(φ) + Ykn,n(φ) = Xkn,n(φ) + Zkn,n(φ) = 0, (70b)
wobei in der Praxis anstelle von "= 0" die Überprü- fung in Bezug auf den oben erwähnten Schwellwert anzusetzen wäre.
2. Da damit für yk m,m(φ), Xk m,m (φ) gemäß (60c, 60b) Glei¬ chungen der gleichen Form gelten wie die Gleichungen (10a, 10b) für xm(φ), ym(φ), xn (φ) , yn (φ) beim Stand der Technik, kann aus diesen Größen auch entsprechend der Drehwinkel φ ermittelt werden. Die Redundanz, die durch die zusätzlichen Gleichungen (60a, 6Od) gegeben ist, kann in der praktischen Anwendung zur Störunter- drückung genutzt werden.
Im Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannte Verfahren zur Spursignalkorrektur lassen sich prinzipiell auch im Zusammenhang mit dem Ansatz gemäß der Erfindung anwenden. Al- lerdings muss dabei Folgendes beachtet werden: Je nachdem, für welche k m oder k n die Bedingung (70a, 70b) erfüllt ist, werden zur Lagebestimmung unterschiedliche Sensorsignale w, x, y, z ausgewertet. Dabei gibt es Bereiche des Drehwinkels φ, für welche für die Auswertung der Gleichungen (40a) und (40b) jeweils beide Sätze von Sensorsignalen w, x, y, z verwendet werden können. Bereiche, bei denen nur der eine oder nur der andere Satz verwendet werden kann, sind bei geeigneter Anordnung stets durch Bereiche getrennt, in denen beide Sätze verwendbar sind. Auf dieser Grundlage können bekannte Korrekturverfahren zur Anwendung kommen, die voraussetzen, dass für die Korrektur der Sensorsignale w, x, y, z zu einem bestimmten Zeitpunkt oder an einer bestimmten Position diese schon in einem unmittelbar vorangehenden Zeitabschnitt bzw. einer unmittelbar vorangehenden Position, insbesondere einem unmittelbar vorangehenden Winkelbereich, ermittelt wurden.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Konfigura- tion gewählt, bei der jeder Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 mit seiner Sensoranordnung immer nur zu genau einer Maßteilungsperiode der Teilspuren 14, 16 „passt". Es sind aber auch Vorrichtungen darstellbar, in denen ein Abtastkopf zu zwei oder mehr verschiedenen Maßteilungsperioden „passt". Das ist bei zwei verschiedenen Maßteilungsperioden 2π/m und 2π/n z. B. dann der Fall, wenn es nicht negative ganze Zahlen pm, pn gibt, für die
(pm + H) 2π/m = (pn + H) 2π/n
gilt. Das ist z. B. für m = 9, n = 5 mit pm = 2 und pn = 1 der Fall. Wählt man unter diesen Umständen
δ = (pm + H) 2π/m = (pn + H) 2π/n
als Zwischenwinkel zweier aufeinanderfolgender Sensoren innerhalb eines Abtastkopfes 18, 19, 20, 22, 23, 24, so „passt" ein solcher Abtastkopf für Teilspuren sowohl mit der Maßteilungsperiode 2π/m als auch mit der Maßteilungsperiode 2π/n. Sofern ausschließlich diese beiden Maßteilungsperioden vorkommen und ausschließlich Abtastköpfe 18, 19, 20, 22, 23, 24 mit dem genannten Zwischenwinkel δ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensoren W, X, Y, Z, erübrigt sich also die Bildung der oben genannten Entscheidungssignale, so dass pro Abtast- köpf 18, 19, 20, 22, 23, 24 nur zwei Sensoren nötig sind. Es ist allerdings auch zu beachten, dass aus den Sensorsignalen dann nicht mehr geschlossen werden kann, welche Maßteilungs- periode die gerade unter dem Abtastkopf 18, 19, 20, 22, 23, 24 befindliche Teilspur hat.
Weiterhin ist es möglich, an Stelle von Abtastköpfen 18, 19, 20, 22, 23, 24 der bisher beschriebenen Art, die dem Grundprinzip des sin/cos-Gebers entsprechen, Abtastköpfe einer anderen Art zu verwenden, wie sie in der Veröffentlichung „Verfahren und Vorrichtung zur Positionsmessung mit mehr als zwei Sensoren", www.ip.com, IPCOM000035541D, Roland Finkler, Hans- Georg Köpken, beschrieben ist. Auch Abtastköpfe dieser Art sind so ausführbar, dass sie einerseits für zwei oder mehr verschiedene Maßteilungsperioden von Teilspuren passen und sich dabei andererseits aus den Sensorsignalen Entscheidungssignale bilden lassen, die eine Entscheidung ermöglichen, ob sich der jeweilige Abtastkopf vollständig über einer Teilspur befindet und wenn ja, welche Maßteilungsperiode diese Teilspur hat .
In Figur 2 ist eine Scheibe 30 dargestellt, die eine erste Spur 12 der in FIG 1 dargestellten Art umfasst. Zusätzlich zu dieser ersten Spur 12 weist die Scheibe 30 eine weitere Spur 32 auf, die im Folgenden zur Unterscheidung von der ersten Spur 12 durchgängig als weitere Spur 32 bezeichnet wird.
Die erste Spur 12 gemäß FIG 2 ergibt sich dabei aus der Spur 12 in Figur 1 z. B. dadurch, dass letztere zunächst linear abwickelt und um den Faktor drei gestaucht wird. Drei Exemplare der gestauchten Version werden aneinandergereiht und diese Aneinanderreihung wird schließlich wieder zu einer ringfömigen Spur, also der ersten Spur 12, aufgewickelt. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 lässt sich durch eine entsprechende Abtastung der ersten Spur 12 aus FIG 2 die Position innerhalb einer 1/3 Umdrehung ermitteln. Die als Absolutspur fungierende weitere Spur 32 besteht aus mehreren Inkrementen 32a, deren „Längen" oder Winkelausdehnung, also die Bogenlänge eines das jeweilige Inkrement 32a exakt einfassenden Winkels, alle ein jeweils ganzzahliges Vielfaches einer gemeinsamen Grundlänge betragen. Im in FIG 2 dargestellten Beispiel beträgt diese gemeinsame Grundlänge 1/6 Umdrehung.
Ähnlich wie in FIG 1 ist auch in FIG 2 aus Gründen der Über- sichtlichkeit ein Beispiel mit relativ wenigen Inkrementen 14a, 16a; 32a auf der ersten bzw. der weiteren Spur 12, 32 dargestellt. In der Praxis sind auch Vorrichtungen mit deutlich mehr Inkrementen 14a, 16a; 32a, beispielsweise zwischen 100 und einigen 1000, sinnvoll.
Mit der als Absolutspur fungierenden weiteren Spur 32 ist, wie z. B. in der EP 0 530 176 Al beschrieben, grundsätzlich die Ermittlung einer Position innerhalb einer Umdrehung möglich, wobei die Genauigkeit allerdings nur etwa der erwähnten gemeinsamen Grundlänge der Messteilungselemente entspricht, im in der FIG 2 dargestellten Beispiel also etwa 1/6 Umdrehung. Die tatsächlich erreichbare Genauigkeit ist in der Praxis auf Grund von Toleranzen und Messfehlern sogar noch etwas schlechter. Die als „verschachtelte Inkrementalspur" fungie- rende erste Spur 12 ermöglicht entsprechend den Ausführungen zu FIG 1 jedoch eine genauere Ermittlung einer Position innerhalb eines durch Auswertung der weiteren Spur 32 (Absolutspur) erhältlichen Positionsintervalls.
Um bei Kombination einer Absolutspur, also z. B. der weiteren Spur 32, und nur einer Inkrementalspur, also der ersten Spur 12, eine hinreichende Auflösung oder Genauigkeit zu erreichen, muss beim Stand der Technik die Maßteilungsperiode der Inkrementalspur hinreichend klein sein. Andererseits muss diese Maßteilungsperiode mindestens so groß sein wie das anhand der Absolutspur ermittelbare Positionsintervall, besser sogar größer, z. B. doppelt so groß. Die Größe dieses Positionsintervalls ist aus technischen Gründen nach unten begrenzt, beispielsweise aufgrund von Toleranzen bei der Plat- zierung der für die Abtastung der Absolutspur vorgesehenen Sensoren. Aus diesem Grunde verwendet man bei im Stand der Technik bekannten Messelementen, die zur Lageermittlung auf der Auswertung zumindest einer Absolutspur basieren, häufig zwei Inkrementalspuren, wie dies z. B. in der DE 41 23 722 Al beschrieben ist. Aufgrund des erhöhten Platzbedarfs einer Scheibe mit drei Spuren, nämlich der Absolutspur und zwei Inkrementalspuren, ist eine solche Lösung nur suboptimal.
Die oben beschriebene und in FIG 2 dargestellte Ausführung einer Kombination der ersten Spur 12 mit einer als Absolutspur ausgeführten weiteren Spur 32 stellt also einen weiteren Aspekt der Erfindung mit selbständig erfinderischem Charakter dar. Die als Inkrementalspur fungierende Spur 12 vereint zwei Inkrementalmaßstäbe, so dass anstelle der im Stand der Technik im Zusammenhang mit einer Absolutspur für eine vergleichbare Genauigkeit erforderlichen zwei Inkrementalspuren eine Spur 12 der in FIG 1 dargestellten Art ausreicht. Auflösung und Genauigkeit werden dabei nur durch die kleinere der beiden Maßteilungen begrenzt.
Damit lässt sich die Erfindung kurz wie folgt darstellen:
Es wird ein Messelement 10 mit einer eine Maßverkörperung um- fassenden, kreisförmigen oder linearen Spur 12 und einer Anzahl zur Abtastung der Spur 12 vorgesehener Sensoren angegeben, bei dem zur Abtastung der Spur 12 mindestens zwei die Sensoren umfassende Abtastköpfe 18, 19, 20; 22, 23, 24 vorgesehen sind. Bei dem Messelement 10 umfasst die Spur 12 zumin- dest eine erste und eine zweite Teilspur 14, 16 mit jeweils einer ersten und einer zweiten Maßteilungsperiode. Für jede vorkommende Maßteilungsperiode weist sodann einer der Abtastköpfe 18, 19, 20; 22, 23, 24 eine auf diese Maßteilungsperiode abgestimmte Sensoranordnung auf.

Claims

Patentansprüche
1. Messelement (10) mit einer eine Maßverkörperung umfassenden Spur (12) und einer Anzahl zur Abtastung der Spur (12) vorgesehener Sensoren, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens zwei zur Abtastung der Spur (12) vorgesehene, Sensoren umfassende Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24), wobei die Spur (12) zumindest eine erste und eine zweite Teilspur (14, 16) mit jeweils einer ersten und einer zweiten Maßteilungsperiode umfasst und wobei für jede vorkommende Maßteilungsperiode einer der Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24) eine auf diese Maßteilungsperiode abgestimmte Sensoranordnung aufweist.
2. Messelement (10) nach Anspruch 1 mit genau zwei verschiedenen Maßteilungsperioden.
3. Messelement (10) nach Anspruch 2 mit genau sechs Abtastköpfen (18, 19, 20; 22, 23, 24) .
4. Messelement (10) nach Anspruch 3, wobei drei Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24) in ihrer Sensoranordnung auf die erste Maßteilungsperiode der ersten Teilspur (14) und drei weitere Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24) in ihrer Sensoranordnung auf die zweite Maßteilungsperiode der zweiten Teilspur (16) abgestimmt sind.
5. Messelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Abfolge der Teilspuren (14, 16) und die Anordnung der Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24) zueinander und in Bezug auf die Abfolge der Teilspuren (14, 16) derart gewählt sind, dass immer zumindest ein Abtastkopf (18, 19, 20; 22, 23, 24) genau eine Teilspur (14, 16) erfasst, die in ihrer Maßteilungsperiode der Sensoranordnung des jeweiligen Abtastkopfes (18, 19, 20; 22, 23, 24) entspricht.
6. Messelement (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei jeweils zwei Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24) unterschiedlicher Sensoranordnung räumlich zusammengefasst sind.
7. Messelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedem Abtastkopf (18, 19, 20; 22, 23, 24) mindestens vier Sensoren zugeordnet sind.
8. Messelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Abtastkopf (18, 19, 20; 22, 23, 24) eine auf mindestens zwei verschiedene vorkommende Maßteilungsperioden abgestimmte Sensoranordnung aufweist.
9. Messelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung von mindestens einem der Abtastköpfe (18, 19, 20; 22, 23, 24), der eine auf mindestens zwei verschiedene vorkommende Maßteilungsperioden abgestimmte Sensoranordnung aufweist, so ausgeführt ist, dass anhand von durch diesen Abtastkopf (18, 19, 20; 22, 23, 24) abgebbaren Sensorsignalen Entscheidungssignale (SA;k,q, SB;k,q) bildbar sind, die eine Entscheidung ermöglichen, ob sich dieser Abtastkopf (18, 19, 20; 22, 23, 24) vollständig über einer Teilspur (14, 16) befindet und welche Maßteilungsperiode die- se Teilspur (14, 16) hat.
10. Messelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei neben der Spur (12) eine weitere Spur (32) vorgesehen ist, die als Absolutspur ausgeführt ist.
11. Geber mit einem Messelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
12. Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine oder Roboter mit einem Geber nach Anspruch 11.
13. Verfahren zum Betrieb eines Messelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein oder mehrere Entscheidungssignale (SA;k,q, SB;k,q) , welche aus den Signalen der einzelnen Sensoren gebildet werden, in Bezug auf eine Erfüllung jeweiliger vorgegebener oder vorgebbarer Kriterien ausgewertet werden.
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