DE10300918A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen der Relativbewegung zweier relativ zueinander bewegbarer Maschinenteile - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen der Relativbewegung zweier relativ zueinander bewegbarer Maschinenteile Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung (10) zum Erfassen einer Relativbewegung zweier relativ zueinander bewegbarer Maschinenteile (14, 18) umfasst eine Mehrzahl von Markierungslinealen (20a, 20b, ...), die an einem der Maschinenteile (14) in der Relativbewegungsrichtung (L) der Maschinenteile (14, 18) aufeinander folgend angeordnet sind, und die Inkrement-Markierungen (22) aufweisen, welche der Erfassung der Distanz einer Relativbewegung der beiden Maschinenteile (14, 18) dienen. Sie umfasst ferner zwei Sensoren (24, 26), welche an dem anderen Maschinenteil (18) in Relativbewegungsrichtung (L) in einem vorbestimmten Abstand (Y) voneinander angeordnet sind, welche die Inkrement-Markierungen (22) abtasten, und von denen jeder ein Abtastsignal bereitstellt. Eine Auswerteeinheit (32) ermittelt auf Grundlage der Phasenlage des Abtastsignals der Sensoren (24, 26) die Absolutposition des jeweiligen Sensors (24, 26) zwischen zwei aufeinander folgenden Inkrement-Markierungen (22). Die Abstände (y¶1¶ bzw. y¶2¶) von jeweils zwei aufeinander folgenden Markierungslinealen (22a, 22b, ...) sind kleiner als der vorbestimmte Abstand (Y) der beiden Sensoren (24, 26).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Relativbewegung zweier relativ zueinander bewegbarer Maschinenteile, wobei an einem der Maschinenteile eine Mehrzahl von Markierungslinealen in der Relativbewegungsrichtung der Maschinenteile aufeinanderfolgend angeordnet sind.
  • Aus der DE-OS-1 773 460 und der DE 196 21 015 A1 sind derartige Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei welchen eine Mehrzahl von Markierungslinealen eingesetzt wird, die an einem der Maschinenteile in der Relativbewegungsrichtung der Maschinenteile aufeinanderfolgend angeordnet sind. An dem jeweils anderen Maschinenteil sind zwei Sensoren zum Abtasten der Markierungslineale vorgesehen. Die Markierungslineale tragen in gleichmäßigen Abständen Inkrement-Markierungen, die von den Sensoren abgetastet werden. Dabei ist die bei der Erfassung der Relativbewegung der beiden Maschinenteile erzielbare Ortsauflösung durch den vorbestimmten Abstand der Inkrement-Markierungen vorgegeben. Der Übergang von einem ersten Markierungslineal zu einem zweiten Markierungslineal wird durch Vergleich der Abstastsignale der beiden Sensoren erfasst. Um eine ordnungsgemäße Erfassung des Übergangs von einem Markierungslineal zum nächstfolgenden Markierungslineal sicherstellen zu können, müssen die beiden Markierungslineale mit einer Genauigkeit aneinander gefügt werden, die die Auflösung der Markierungslineale, d.h. den vorbestimmten Abstand der Inkrement-Markierungen, nicht übersteigt.
  • Aus dem Prospekt der Rexroth Star GmbH "STAR – Kugel- und Rollenschienenführungen mit integriertem Messsystem" sind darüber hinaus Vorrichtungen mit einem einzigen Markierungslineal bekannt, bei welchem eine Auswerteeinheit auf Grundlage der Phasenlage des Abtastsignals des Sensors die Absolutposition des jeweiligen Sensors zwischen zwei aufeinanderfolgenden Inkrement-Markierungen ermittelt. Bei einem Abstand der Inkrement-Markierungen in der Größenordnung von 1 mm kann so eine Auflösung von weniger als 1 um erzielt werden.
  • Der Vollständigkeit halber sei noch auf die DE-OS-24 16 212 und die EP 0 350 158 A1 hingewiesen. Bei den aus diesen Druckschriften bekannten Vorrichtungen tragen die Markierungslineale zusätzliche Referenz-Markierungen, welche die Erfassung der absoluten Position des einen Maschinenteils relativ zu dem anderen Maschinenteil ermöglichen.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass die Genauigkeit, mit der die Markierungslineale in der Relativbewegungsrichtung der beiden Maschinenteile aneinandergereiht werden müssen, nicht durch den vorbestimmten Abstand der Inkrement-Markierungen und erst recht nicht durch die erzielbare Auflösung vorgegeben ist, sondern dass eine ordnungsgemäße Funktion der Vorrichtung gewährleistet werden kann, solange nur der Abstand zweier aufeinanderfolgender Markierungslineale, genauer gesagt der Abstand zwischen einer das Ende des einen Markierungslineals angebenden Markierung, beispielsweise der letzten Inkrement-Markierung des einen Markierungslineals, und der den Anfang des anderen Markierungslineals angebenden Markierung, beispielsweise der ersten Inkrement-Markierung des zweiten Markierungslineals, kleiner ist als der vorbestimmte Abstand der beiden Sensoren. In diesem Fall kann dann, wenn ein in Relativbewegungsrichtung vorauslaufender Sensor den Übergang von einem Markierungslineal zu einem anderen Markierungslineal erfasst hat, die Phasenabweichung zwischen dem Abstastsignal eines sich noch im Bereich des einen Markierungslineals befindenden, nachlaufenden Sensors und dem Abtastsignal des sich bereits im Bereich des anderen Markierungslineals befindenden, vorauslaufenden Sensors ermittelt werden und eine auf Grundlage dieser Phasenabweichung ermittelte Phasenkorrektur bei der Erfassung der Relativbewegung der beiden Maschinenteile berücksichtigt wird. Es kommt also lediglich darauf an, dass sich mindestens immer ein Sensor vollständig über einem „ungestörten" Abschnitt eines Markierungslineals befindet.
  • Selbstverständlich können auch mehr als zwei Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise um auch bei einem Übergang von einem Markierungslineal zu einem anderen Markierungslineal eine redundante Erfassung der Relativbewegung der beiden Maschinenteile ermöglichen oder bei Ausfall eines Sensors die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung auch weiterhin sicherstellen zu können.
  • Um die Erfassung der absoluten Relativlage der beiden Maschinenteile ermöglichen zu können, ohne bei jeder Inbetriebnahme der Vorrichtung einen vorbestimmten Bezugspunkt, beispielsweise ein Ende des von der Mehrzahl von Markierungslinealen gebildeten Gesamtlineals, anfahren zu müssen, können die Markierungslineale, wie dies an sich bekannt ist, ferner Referenz-Markierungen aufweisen, welche der Erfassung der absoluten Relativlage der beiden Maschinenteile dienen.
  • Ferner können die Markierungslineale jeweils wenigstens eine Linealende-Markierung aufweisen, welche der Erfassung des zugeordneten Längsendes des jeweiligen Markierungslineals durch den jeweils vorauslaufenden Sensor dienen. In diesem Fall muss der Abstand der benachbarten Linealende-Markierungen der beiden aneinander angrenzenden Markierungslineale kleiner sein als der vorbestimmte Abstand der beiden Sensoren.
  • In einem bevorzugten Anwendungsfall kann das eine Maschinenteil eine Führungsschiene oder ein mit dieser fest verbundenes Teil einer Linearführungseinrichtung sein, und kann das andere Maschinenteil eine auf der Führungsschiene in deren Längsrichtung verschiebbar geführte Führungseinheit oder ein mit dieser fest verbundenes Teil, beispielsweise ein Führungswagen, einer Linearführungseinrichtung sein.
  • In Weiterbildung dieses Anwendungsfalls können bei einer Führungseinheit mit einer Mehrzahl von Führungswagen die beiden Sensoren an verschiedenen Führungswagen angeordnet sein. Es sind dann also wenigstens zwei der Führungswagen mit Sensoren bestückt, d.h. wenigstens einer der Sensoren ist an einem anderen Führungswagen angeordnet als der andere Sensor bzw. die anderen Sensoren.
  • Mit Bezug auf die Berücksichtigung der beim Übergang von einem Markierungslineal zu einem anderen Markierungslineal ermittelten Phasenkorrektur ist zudem selbstverständlich die Relativbewegungsrichtung der beiden Maschinenteile zu berücksichtigen, beispielsweise indem man die ermittelte Phasenkorektur bei Bewegung in einer Richtung addiert, während man sie bei Bewegung in die Gegenrichtung subtrahiert.
  • Da die Verbindung zwischen den Sensoren und dem anderen Maschinenteil in der Praxis nicht ideal steif ist, sondern einem gewissen Spiel unterworfen ist, kann der Abstand zwischen den Sensoren variieren. Beispielsweise können die Sensoren bei einer Relativbewegung in eine Richtung enger beieinander stehen als bei einer Relativbewegung in die Gegenrichtung. Um diese, beispielsweise von unterschiedlichen Reibungsverhältnissen im Bereich der Sensoren herrührende, mechanische Hysterese berücksichtigen bzw. ausgleichen zu können, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass man dann, wenn die bei einer Relativbewegung in der einen Richtung ermittelte Phasenkorrektur von der bei einer Relativbewegung in der Gegenrichtung ermittelten Phasenkorrektur abweicht, diese Abweichung im Zuge der weiteren Relativbewegung, spätestens jedoch im Bereich eines Bezugs-Markierungslineals, allmählich, d.h. kontinuierlich und nicht sprunghaft, auf Null zurückführt.
  • Aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten, relativ großen Freiheit bei der Anbringung der Markierungslineale an dem einen Maschinenteil kann die tatsächliche Lage der Referenz-Markierungen der Markierungslineale von der auf ein Bezugs-Markierungslineal bezogenen Soll-Lage dieser Referenz-Markierungen abweichen. Derartige Abweichungen können im Rahmen einer Intitialisierungsfahrt ermittelt und bei der Erfassung der Relativbewegung der beiden Maschinenteile und der Ausgabe der Positionssignale berücksichtigt werden. D.h. in der Praxis werden die den Referenz-Markierungen zugeordneten Referenzimpulse nicht exakt an der Position ausgegeben, an der sich die Referenz-Markierungen tatsächlich befinden. Vielmehr werden virtuelle Referenzimpulse erzeugt und ausgegeben, und zwar so, als ob man es mit einem einzigen Markierungslineal bzw. einer idealen Aufeinanderfolge einer Mehrzahl von Markierungslinealen zu tun hätte.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
  • 1 eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäß Vorrichtung zur Erfassung der Relativbewegung zweier Maschinenteile.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Sie kommt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel bei einer Linearführungseinrichtung 12 zum Einsatz, welche als ein erstes Maschinenteil eine üblicherweise ortsfest angeordnete Führungsschiene und als ein zweites Maschinenteil eine in Längsrichtung L der Führungsschiene 14 auf dieser bewegbar geführte Führungseinheit 16 mit einem Führungswagen 18 umfasst.
  • Auf der Führungsschiene 14 ist eine Mehrzahl von Markierungslinealen 20a, 20b,... angebracht, welche die Erfassung der Distanz einer Bewegung des Führungswagens 18 längs der Führungsschiene 14 ermöglichen. Zur Abtastung dieser Inkrement-Markierungen 22 sind an dem Führungswagen 18 zwei Sensoren 24 und 26 angeordnet, welche über Singalleitungen 28 und 30 mit einer Auswerteeinheit 32 verbunden sind. Auf Grundlage der nachfolgend noch näher zu erläuternden Weise bestimmt die Auswerteeinheit 32 aus den Abstastsignalen der Sensoren 24 und 26 die jeweilige Position des Führungswagens 18 auf der Führungsschiene 14.
  • Die Markierungslienale 20a, 20b,... tragen ferner Referenz-Markierungen 341 , 342 ,..., 34i ,..., 34n ,..., welche jeweils von einem Markenpaar gebildet sind. Die jeweils linken Marken dieser Markenpaare sind auf den Markierungslinealen 20a, 20b,... in einem vorbestimmten Abstand P voneinander angeordnet, während die jeweils rechten Marken der Markenpaare von der zugehörigen linken Marke des gleichen Markenpaars einen Abstand aufweisen, der bei der Referenzmarkierung 34, den Wert x, aufweist und in Richtung von links nach rechts in 1 von Markenpaar zu Markenpaar um den Betrag d zunimmt. Auf diese Weise codieren die Markenpaare 341 , 342 ,... die Absolutposition auf den Markierungslinealen 20a, 20b,... über den Abstand zwischen den beiden Marken des Markenpaars der jeweiligen Referenz-Markierung.
  • Schließlich tragen die Markierungslineale 20a, 20b,... in der Nähe ihrer einander zugewandten Längsenden 20a1, 20b1 Linealende-Markierungen 36, welche ebenfalls jeweils von einem Markenpaar gebildet sind. Dabei weisen die Marken der Markenpaare der Linealende-Markierungen 36 einen geringeren Abstand voneinander auf als die Marken des Markenpaars der ersten Referenz-Markierung 341 .
  • Auch die Referenz-Markierungen 341 , 342 ,... und die Linealende-Markierungen 36 können von den Sensoren 24 und 26 erfasst werden.
  • Bewegt sich der Führungswagen 18 längs der Führungsschiene 14 beispielsweise in 1 von links nach rechts, so werden dabei die Inkrement-Markierungen 22 von beiden Sensoren 24 und 26 abgetastet. Die beiden der Auswerteeinheit 32 zugeführten Abtastsignale der Sensoren 24 und 26 weisen dabei eine Phasenabweichung voneinander auf, die unter anderem von dem vorbestimmten Abstand Y der beiden Sensoren 24 und 26 am Führungswagen 18 abhängt. Kommt nun der Führungswagen 18 in den Bereich der Stoßstelle 40 der Markierungslineale 20a und 20b, so wird dieser Umstand von dem vorauslaufenden Sensor 26 durch Abtasten der Linealende-Markierung 36 des Markierungslineals 20a erfasst. Die Auswerteeinheit 32 stützt daraufhin die Erfassung der Bewegung des Führungswagens 18 längs der Führungsschiene 14 nur noch auf das Abtastsignal des nachlaufenden Sensors 24. Hat der vorauslaufende Sensor 26 dann im Zuge der weiteren Bewegung des Führungswagens 18 in 1 nach rechts die Linealende-Markierung 36 des Markierungslineals 20b abgetastet, so vergleicht die Auswerteeinheit 32 die nunmehr vorhandene Phasenabweichung zwischen den Abtastsignalen der Sensoren 24 und 26 mit der Phasenabweichung dieser beiden Signale zu einem Zeitpunkt, zu dem sich der Führungswagen 18 noch in voller Überdeckung mit dem Markierungslineal 20a befand. Die durch diesen Vergleich ermittelte Phasenkorrektur wird von der Auswerteeinheit bei der weiteren Ausgabe von Positionssignalen über die Signalleitung 38 berücksichtigt. Bei Überfahren einer Mehrzahl von Stoßstellen 40 muss selbstverständlich eine Mehrzahl derartiger Phasenkorrekturen berücksichtigt werden.
  • Erfindungsgemäß ist es also lediglich erforderlich, dass der Abstand Y der beiden Sensoren 24 und 26 größer ist als der Abstand y2 der Linealende-Markierungen 36 der Markierungslineale 20a und 20b, so dass stets einer der Sensoren 24 und 26 über einem ungestörten Abschnitt der Inkrement-Markierungen 22 befindet. Der Einsatz der Linealende-Markierungen 36 hat den Vorteil, dass bei Abtastung der Linealende-Markierung 36 des linken Markierungslineals 20a durch den vorauslaufenden Sensor 26 sichergestellt ist, dass sich dieser Sensor 26 noch vollständig im Bereich der Inkrement-Markierungen 22 des Markierungslineals 20a befindet. Somit besteht nicht die Gefahr, dass der Abtasteinheit 32 ein durch die Übergangsstelle 40 verfälschtes Abtastsignal des Sensors 26 zugeführt und von dieser bei der Bestimmung des Positionssignals 38 verwendet wird. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Übergang 40 anhand der Unterbrechung der Inkrement-Markierungen 22 zu erfassen, d.h. aufgrund einer "Störung" des Abtastsignals des vorauslaufenden Sensors 26 durch die Unterbrechung der Inkrement-Markierungen 22. In diesem Fall braucht der Abstand Y der beiden Sensoren 24 und 26 lediglich größer zu sein als die Weite y1 der Stoßstelle 40.
  • Nachzutragen ist noch, dass die Auswerteeinheit 32, wie dies aus dem Prospekt "STAR – Kugel- und Rollenschienenführungen mit integriertem Mess-System" an sich bekannt ist, dazu in der Lage ist, durch Interpolation der Abtastsignale der Sensoren 24 und 26 auch die Absolutposition zwischen zwei aufeinanderfolgenden Inkrement-Markierungen 22 zu bestimmen. Bei einem Abstand der Inkrement-Markierungen in der Größenordnung von 1 mm kann auf diese Weise eine Positionsgenauigkeit in der Größenordnung von 1 μm erzielt werden.
  • Nachzutragen ist ferner, dass, obgleich dies in 1 idealisiert dargestellt ist, die Referenz-Markierungen 34n der nachfolgenden Markierungslineale 20b,... von der ersten Referenz-Markierung 341 , des ersten Markierungslineals 20a nicht notwendigerweise den idealen Abstand (n-1)P aufzuweisen brauchen. Vielmehr ist es möglich, die genaue Lage dieser Referenz-Markierungen 34n im Zuge einer Initialisierungsfahrt des Führungswagens 18 zu erfassen, ihre Abweichung von der idealen Lage zu ermitteln und in der Auswerteeinheit 32 abzuspeichern. Im tatsächlichen Betrieb werden diese Abweichungen dann von der Auswerteeinheit 32 bei der Bestimmung der absoluten Position des Führungswagens 18 relativ zur Führungsschiene 14 berücksichtigt.
  • Im Rahmen dieser Initialisierungsfahrt kann überdies der Abstand Y der beiden Sensoren 24 und 26 ermittelt werden, beispielsweise durch Erfassen ein und derselben Referenz-Markierung. Diese Abstandsermittlung kann dabei in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung des Führungswagens 18 erfolgen.

Claims (8)

  1. Vorrichtung (10) zum Erfassen einer Relativbewegung zweier relativ zueinander bewegbarer Maschinenteile (14, 18), umfassend: – eine Mehrzahl von Markierungslinealen (20a, 20b,...), die an einem der Maschinenteile (14) in der Relativbewegungsrichtung (L) der Maschinenteile (14, 18) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Markierungslineale (22a, 22b,...) Inkrement-Markierungen (22) aufweisen, welche der Erfassung der Distanz einer Relativbewegung der beiden Maschinenteile (14, 18) dienen, – zwei zum Abtasten der Markierungslineale (20a, 20b,...) vorgesehene Sensoren (24, 26), welche an dem anderen Maschinenteil (18) in Relativbewegungsrichtung (L) in einem vorbestimmten Abstand (Y) voneinander angeordnet sind, welche die Inkrement-Markierungen (22) abtasten, und von denen jeder ein Abtastsignal bereitstellt, wobei die Abstände (y1 bzw. y2) von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Markierungslinealen (22a, 22b,...) kleiner sind als der vorbestimmte Abstand (Y) der beiden Sensoren (24, 261, und – eine Auswerteeinheit (32), welche auf Grundlage der Phasenlage des Abtastsignals der Sensoren (24, 26) die Absolutposition des jeweiligen Sensors (24, 26) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Inkrement-Markierungen (22) ermittelt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungslineale (22a, 22b,...) ferner Referenz-Markierungen (341 , 342 ,...) aufweisen, welche der Erfassung der absoluten Relativlage der beiden Maschinenteile (14, 18) dienen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungslineale (22a, 22b,...) ferner jeweils wenigstens eine Linealende-Markierung (36) aufweisen, welche der Erfassung des zugeordneten Längsendes (20a1, 20b1) des jeweiligen Markierungslineals (20a, 20b,...) dienen.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Maschinenteil (14) eine Führungsschiene oder ein mit dieser fest verbundenes Teil einer Linearführungseinrichtung ist und dass das andere Maschinenteil (16, 18) eine auf der Führungsschiene in deren Längsrichtung (L) verschiebbar geführte Führungseinheit oder ein mit dieser fest verbundenes Teil einer Linearführungseinrichtung ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensoren (24, 26) bei einer Führungseinheit mit einer Mehrzahl von Führungswagen (18) an verschiedenen Führungswagen angeordnet sind.
  6. Verfahren zum Erfassen einer Relativbewegung zweier relativ zueinander bewegbarer Maschinenteile (14, 18) unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem dann, wenn ein in Relativbewegungsrichtung vorauslaufender Sensor (26) den Übergang (40) von einem Markierungslineal (20a) zu einem anderen Markierungslineal (20b) erfasst hat, die Phasenabweichung zwischen dem Abtastsignal eines sich noch im Bereich des einen Markierungslineals (20a) befindenden nachlaufenden Sensors (24) und dem Abtastsignal des sich bereits im Bereich des anderen Markierungslineals (20b) befindenden, vorauslaufenden Sensors (26) ermittelt wird, und eine auf Grundlage dieser Phasenabweichung ermittelte Phasenkorrektur dann, wenn sich auch der nachlaufende Sensor (24) im Bereich des anderen Markierungslineals (20b) befindet, bei der Erfassung der Relativbewegung der beiden Maschinenteile (14, 18) berücksichtigt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Initialisierungfahrt durchgeführt wird zum Ermitteln der absoluten Lage der Referenz-Markierungen (341 , 342 ,...) aller Markierungslineale (20a, 20b,...) mit Bezug auf ein Bezugs-Markierungslineal (20a).
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass man dann, wenn die bei einer Relativbewegung der Maschinenteile (14, 18) in einer Richtung ermittelte Phasenkorrektur von der bei einer Relativbewegung in der Gegenrichtung ermittelten Phasenkorrektur abweicht, diese Abweichung im Zuge der weiteren Relativbewegung allmählich auf Null zurückführt.
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