DE19621015A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung von bewegten Maschinenteilen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung von bewegten MaschinenteilenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Positionierung von bewegten Maschinenteilen, wobei ein optisches
Signal von einem Emitter 20 über ein mit Strichcodemarkierungen
21 versehenes Taktlineal 22 von einem Sensor empfangen wird und
der Sensor ein elektrisches Taktsignal entsprechend der Strich
codemarkierung an einen Zähler weitergibt.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-Pa
tentschrift 5 508 088 (PWB) bekannt. Das Taktlineal besteht
dabei aus einem transparenten Material, auf dem Kodierungen zur
Abtastung über optische Sensoren angeordnet sind.
Es ist möglich, daß das transparente Material auf der dem Sender
abgewandten Seite mit einer reflektierenden Schicht versehen
ist, wobei dann die aus dem Sender emittierten Lichtstrahlen in
der optischen Achse reflektiert und vom Empfänger registriert
werden, der einen Impuls an einen Regelkreis zur Steuerung der
Vorschubbewegung eines bewegten Maschinenteils abgibt.
Die Länge und Frequenz der Impulse wird durch sogenannte "Fen
steröffnungen" bestimmt, die durch die Kodierung in "lichtdurch
lässig/lichtundurchlässig" vorgegebene Bereiche auf dem Taktli
neal entstehen. Dadurch wird der aus einem Sender austretende
Lichtstrahl von einen in der optischen Achse des Lichtstrahls
liegenden Empfänger in einen Impuls umgewandelt, wobei die Art
des Impulses von der Beschaffenheit der Fensteröffnung abhängt.
Üblicherweise werden Taktlineale mit endlicher Länge zur Steue
rung eines Druckerkopfes, eines Roboterarmes oder eines Werk
zeugschlittens verwendet. Zunehmend werden aber auch Anwendungs
fälle bedeutsam, in denen größere Längen für die Bewegung des
Werkzeugschlittens benötigt werden. Somit besteht das Problem,
Taktlineale mit größerer Fertigungslänge herstellen zu können.
Die Kodierungen für Taktlineale müssen wegen der hohen Genau
igkeit, die an die Positionsbestimmung von bewegten Maschinent
eilen gestellt werden, mit aufwendigen Maschinen in einem Stück
erzeugt werden. Dabei steigen die Fertigungskosten exponentiell
an, denn die Einhaltung von engen Fertigungstoleranzen wird bei
zunehmenden Fertigungslängen immer aufwendiger.
Grundsätzlich ist es möglich, mehrere Taktlineale kürzerer Länge
zu einem neuen Taktlineal mit entsprechend größerer Arbeitslänge
zusammenzusetzen. Die dabei auftretenden Stoßkanten können je
doch das Lichtsignal verfälschen und zu Ungenauigkeiten in der
Positionsbestimmung führen. Ein weiteres Problem besteht darin,
daß ein Versatz an den Stoßstellen in der Kodierung auftritt,
der zwangsläufig zu Meßfehlern und damit zu einer falschen Posi
tionsbestimmung führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiter
zuentwickeln, daß die Positionsbestimmung auch über größere
Längen mit mehreren aneinandergefügten Taktlinealen möglich ist.
Die Genauigkeit der Positionserfassung soll dabei innerhalb der
Genauigkeit der bei der Verwendung eines einheitlichen Taktline
almaßstabes einzuhaltenden Genauigkeit liegen.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merk
male gelöst. Es hat sich gezeigt, daß durch Verwendung von zwei
Sensoren und zusätzlichen Comparator-Einheiten die Fehlerquelle
bei Überschreitung des Taktlineal-Grenzbereiches minimiert wer
den kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei
spiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a, 1b Erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem bewegten
Sensorschlitten;
Fig. 2 Erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem bewegten
Taktlineal;
Fig. 3a, 3b Fehlerermittlung bei einem geraden Taktlineal.
In Fig. 1 ist die Vorrichtung zur Positionserfassung von
bewegten Maschinenteilen in Form eines mehrteiligen Taktlineals
dargestellt, das über die Befestigungsmittel 18, 19 an einem
Druckergehäuse befestigbar ist. Das Taktlineal besteht aus zwei
Codeträgern 1a, 1b mit einer Ausgangsposition 2, wobei jeder
Codeträger gleichbeabstandete Codemarken 3a, 3b trägt. An der
Schnittstelle 1c sind die Taktlineale verbunden.
Auf einem Sensorschlitten 7 sind zwei Sensoren 4, 8 angeordnet.
Der Sensorschlitten kann beispielsweise an einem Druckerkopf
befestigt sein und wird mit diesem über das Taktlineal geführt.
Die Sensoren 4, 8 empfangen optische Signale von einem Sender,
der in der Darstellungsebene nach Fig. 1 hinter dem Sensor
schlitten 7 liegt und daher nicht sichtbar ist.
Bei einer Bewegung des Sensorschlittens 7 in Pfeilrichtung emp
fangen beide Sensoren 4, 8 Signale entsprechend den vom Schlit
ten überstrichenen Codemarkierungen. Dabei ist der Sensor 4 über
Leitungen 6a, 6b mit einem Zählwerk 5 verbunden, das von der
Ausgangsposition 2 aus gesehen die überstrichenen Codemarken 3a
erfaßt und abspeichert.
Sobald der Sensor 8 die Schnittstelle 1c erreicht, bemerkt ein
hinter dem Sensor 8 an der Leitung 9a liegender Comparator 10
eine Veränderung des Codemarken-Abstandes. Diese Veränderung
kann beispielsweise durch einen Vergleich eines Prüfsignals mit
dem empfangenen Codesignal erreicht werden. Hierzu ist im Compa
rator 10 eine Prüfeinrichtung 10′ integriert.
Stellt nun die Prüfeinrichtung 10′ fest, daß ein verändertes
Codesignal über Leitung 9a empfangen wurde, wird das Zählwerk 5
von der Leitung 6b getrennt und ein weiteres Zählwerk 11 über
Leitung 17 mit dem Sensor 8 verbunden. Dies bedeutet, daß bei
Bewegung des Sensorschlittens 7 über die Kontaktstelle der bei
den Codeträger 1a, 1b hinweg das Signal nicht mehr im Zähler 5,
sondern im Zählwerk 11 gespeichert wird.
Gleichzeitig wird beim Übergang von einem zum anderen Taktlineal
durch Vergleich des gemessenen Codesignals mit dem Prüfsignal
eine Federabweichung erkannt und durch ± max. 0,5 Codemarken-Ab
stand im neuen Taktlinealabschnitt berücksichtigt. Damit ent
steht eine kontinuierliche Taktfolge, als ob nur ein Taktlineal
ohne Stoßstelle vorliegen würde. Dies sei anhand von Fig. 3a, b
näher erläutert.
In Fig. 3a ist die Schnittstelle S so gelegt, daß ein Fehler +f
entsteht. Hierbei ist der Codemarken-Abstand b um den Wert +f
vergrößert, so daß nach dem Überfahren der Schnittstelle S der
Wert für den Codezähler um +f vergrößert werden muß, damit der
Anschlußfehler kompensiert wird.
In Fig. 3b ist die Schnittstelle S so gelegt, daß ein Fehler -f
entsteht. Demzufolge ist der Codemarken-Abstand b um den Betrag
-f zu verkürzen, damit der Anschlußfehler kompensiert wird.
Durch die jeweilige Addition bzw. Subtraktion der Fehlergröße f
wird beim Übergang von Taktlineal 1 zu Taktlineal 2 der Wert des
jeweiligen Zählwerkes entsprechend korrigiert.
Bei Weiterbewegung des Sensorschlittens 7 über die Schnittstelle
1c hinweg, erhält auch der Sensor 4 ein verändertes Codesignal,
das nicht mit dem Testsignal in einem ihm zugeordneten Compara
tor 12 mit Prüfeinrichtung 12′ übereinstimmt. In diesem Moment
wird das Zählwerk 11 stillgesetzt und die bisher von ihm auf
summierten Signale werden über eine Transfereinheit 13 an das
nun wieder in Betrieb gesetzte Zählwerk 5 weitergegeben. Somit
hat nach dem Überfahren der Schnittstelle 1c das Zählwerk 5 die
genaue Position des bewegten Maschinenteiles, beispielsweise
eines Druckerkopfes. Die Zählung kann weiter fortgesetzt werden
bis ein neues Taktlineal mit neuer Kodierung vom Sensor 8 erfaßt
wird.
In gleicher Weise sind auch Bewegungen eines zylindrischen Ma
schinenteils, wie z. B. einer Welle, eines Hohlzylinders oder
eines Antriebsrades, erfaßbar. Dazu können gebogene Taktlineale
am Umfang des zylindrischen Teiles befestigt werden und über
entsprechend radial angeordneten Sensor-Einheiten zur Positio
nierung überwacht werden. Bei größerem Umfang des zylindrischen
Teiles können auch mehrere Taktlineale hintereinander angeordnet
sein, wobei die Schaltung der in Laufrichtung hintereinander
angeordneten Sensoren, wie im vorhergehenden Beispiel beschrie
ben, erfolgt.
Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch
dadurch verbessert werden, daß beim Anfahren und Abbremsen des
Sensorschlittens 7 ein entsprechend verändertes Prüfsignal für
den Anfahr- und Bremsvorgang zur Verfügung gestellt wird. Da
durch wird vermieden, daß die im Beschleunigungszustand emp
fangenen Codesignale aufgrund ihrer veränderten Struktur als
Indikatoren für einen Wechsel der Codeträger verstanden werden.
Eine Weiterentwicklung von Sensor/Emitter-Einheit besteht darin,
daß der Emitter 31 zwischen den Sensoren 32 und 33 auf dem
Transportschlitten 34 angeordnet ist. Die Codeträger sind dann
mit einer reflektierenden Schicht versehen, so daß die vom Emit
ter 31 ausgesandten Signale reflektiert werden und im Winkel von
den Sensoren 32, 33 empfangen werden.
In Fig. 1b ist die Situation im Querschnitt durch ein Taktline
al und ein Sensorschlitten dargestellt. Die aus dem Sensor 31
emittierten Lichtstrahlen 31a, 31b werden an der mit Strichmar
kierungen 35 versehenen Oberfläche des Taktlineals 36 reflek
tiert und von den Sensoren 32, 33 empfangen. Selbstverständlich
ist auch eine Anordnung von mehreren Sensoren möglich, was in
der Draufsicht auf einen Sensorschlitten 34 in Fig. 1a dar
gestellt ist.
In Fig. 2 ist ein bewegtes Taktlineal 22 mit verschiedenen
Strichcodes 21 versehen. Ein vom Emitter 20 emittiertes, opti
sches Signal wird von einem Sensor 23 empfangen, der ein elek
trisches Taktsignal entsprechend der Strichcodemarkierung an
einen Zähler weitergibt.
Das Taktlineal 22 besteht aus zwei Taktlineal-Abschnitten 22a,
22b, die mit versetzten Strichcodemarkierungen 21a, 21b versehen
sind.
Ähnlich wie im vorhergehenden Beispiel besteht die Sensor-Ein
heit aus zwei Einzelsensoren 23a, 23b, die in Bewegungsrichtung
des Taktlineals hintereinander angeordnet sind.
Der in Bewegungsrichtung vorn liegende Sensor 23b schaltet bei
Erreichen eines neuen Taktlineal-Abschnittes 21b einen Zähler 25
des ersten Sensors 23a ab und zählt dann die Strichcodemarkie
rungen 21b des neuen Taktlineal-Abschnittes 22b. Die gezählten
Abschnitte werden in einer Transfer-Einheit 27 gespeichert.
Sobald der erste Sensor 23a ebenfalls den neuen Taktlineal-Ab
schnitt 21b erreicht, wird der Zähler 26 des zweiten Sensors 23b
stillgesetzt. Nun beginnt der erste Zähler 25 weiterzuzählen,
wobei die vom zweiten Zähler 26 an die Transfer-Einheit wei
tergegebenen Signale mit dem Inhalt des ersten Zählers 25 auf
summiert werden.
Zur Verbesserung des Signalflusses sind zusätzlich zu den Zäh
lern 25, 26 Comparatoren 28, 29 mit den Einzelsensoren 23a, 23b
verbunden. Diese Comparatoren können Veränderungen der Strichco
demarkierungen durch Vergleich mit Testsignalen feststellen und
dabei die entsprechenden Schaltvorgänge der Zähler 25, 26 bzw.
der Transfer-Einheit 27 auslösen.
Der beschriebene Schaltungsablauf ist nicht nur in einer Rich
tung, sondern in jeder Bewegungsrichtung wirksam. Es kommt dabei
nur darauf an, daß die Schaltzeit für die Sensoren ausreicht,
damit keine Kodierung am Sensor vorbeiläuft ohne erfaßt zu wer
den.
Für schnellbewegte Maschinenteile mit hohen Beschleunigungs
zahlen ist es erforderlich, die Sensoren in einem Abstand von
mehreren Strichcodierungen anzuordnen. Erfahrungswerte zeigen,
daß die Sensoren mindestens ein Abstand von drei Strichcodes
aufweisen sollten, damit der Funktionsablauf für die Positions
erfassung zuverlässig arbeiten kann.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Positionserfassung von bewegten Maschinen
teilen, bestehend aus mindestens zwei als Taktlineale aus
gebildeten Codeträgern (1a, b) mit jeweils gleichbeabstan
deten Codemarken (3), die von einem Sensor (4) abtastbar
sind, der mit einem Zählwerk (5) über Leitungen (6a, b)
verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem Sensorschlitten (7) ein weiterer Sensor (8) angeordnet ist, der über eine Leitung (9a) mit einem Compa rator (10) verbunden ist, wobei der Comparator (10) eine Prüfeinrichtung (10′) für die über Leitung (9a) empfangenen Codesignale enthält und diese Codesignale bei Nichtüberein stimmung mit einem Testsignal an ein Zählwerk (11) wei tergeleitet werden, während das Zählwerk (5) von der Lei tung (6b) getrennt ist,
und daß zwischen dem Sensor (4) und dem Zählwerk (5) ein weiterer Comparator (12) angeordnet ist, wobei der Compara tor (12) eine Prüfeinrichtung (12′) für die über Leitung (6a) empfangenen Codesignale enthält und diese Codesignale bei Nichtübereinstimmung mit einem Testsignal an eine Transfereinheit (13) über eine Leitung (14) gegeben werden, wobei die Transfereinheit (13) die vom Zählwerk (11) über Leitung (15) empfangenen und aufsummierten Signale an das Zählwerk (5) über Leitung (16) abgibt und damit das Zähl werk (5) wieder mit der Leitung (6a, b) zum Empfang neuer Signale aus dem Sensor (4) verbunden ist.
daß auf einem Sensorschlitten (7) ein weiterer Sensor (8) angeordnet ist, der über eine Leitung (9a) mit einem Compa rator (10) verbunden ist, wobei der Comparator (10) eine Prüfeinrichtung (10′) für die über Leitung (9a) empfangenen Codesignale enthält und diese Codesignale bei Nichtüberein stimmung mit einem Testsignal an ein Zählwerk (11) wei tergeleitet werden, während das Zählwerk (5) von der Lei tung (6b) getrennt ist,
und daß zwischen dem Sensor (4) und dem Zählwerk (5) ein weiterer Comparator (12) angeordnet ist, wobei der Compara tor (12) eine Prüfeinrichtung (12′) für die über Leitung (6a) empfangenen Codesignale enthält und diese Codesignale bei Nichtübereinstimmung mit einem Testsignal an eine Transfereinheit (13) über eine Leitung (14) gegeben werden, wobei die Transfereinheit (13) die vom Zählwerk (11) über Leitung (15) empfangenen und aufsummierten Signale an das Zählwerk (5) über Leitung (16) abgibt und damit das Zähl werk (5) wieder mit der Leitung (6a, b) zum Empfang neuer Signale aus dem Sensor (4) verbunden ist.
2. Vorrichtung zur Positionserfassung von bewegten Maschinen
teilen, bestehend aus mindestens zwei als Taktlineale aus
gebildeten Codeträgern (1a, b) mit jeweils gleichbeabstan
deten Codemarken (3), die von einem Sensor (4) abtastbar
sind, der mit einem Zählwerk (5) über Leitungen (6a, b)
verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Übergang von einer Codemarkierung (3a) auf eine neue Codemarkierung (3b) ein auf einem Sensorschlitten (7) angeordneter zweiter Sensor (8) über eine Leitung (9a) mit einem Comparator (10) verbunden ist, der eine Prüfeinrich tung für die über Leitung (9a) empfangenen Codesignale enthält,
daß bei Änderung der Codesignale das Zählwerk (5) von der Leitung (6b) getrennt ist und der Comparator (10) über eine Leitung (17) mit einem Zählwerk (11) verbunden ist,
daß bei Empfang des geänderten Signals durch Sensor (4) das Zählwerk (11) abgeschaltet wird und die im Zählwerk (11) gespeicherten Signale über eine Leitung (15) mit einer Transfereinheit (13) verbunden sind, die das Ergebnis der bisher im Zählwerk (5) auf summierten Kurzsignale mit denen vom Zählwerk (11) transferierten Signalen zusammenführt.
daß beim Übergang von einer Codemarkierung (3a) auf eine neue Codemarkierung (3b) ein auf einem Sensorschlitten (7) angeordneter zweiter Sensor (8) über eine Leitung (9a) mit einem Comparator (10) verbunden ist, der eine Prüfeinrich tung für die über Leitung (9a) empfangenen Codesignale enthält,
daß bei Änderung der Codesignale das Zählwerk (5) von der Leitung (6b) getrennt ist und der Comparator (10) über eine Leitung (17) mit einem Zählwerk (11) verbunden ist,
daß bei Empfang des geänderten Signals durch Sensor (4) das Zählwerk (11) abgeschaltet wird und die im Zählwerk (11) gespeicherten Signale über eine Leitung (15) mit einer Transfereinheit (13) verbunden sind, die das Ergebnis der bisher im Zählwerk (5) auf summierten Kurzsignale mit denen vom Zählwerk (11) transferierten Signalen zusammenführt.
3. Verfahren zur Positionsbestimmung von bewegten Maschinen
teilen, wobei ein optisches Signal von einem Emitter (20)
über ein mit Strichcodemarkierungen (21) versehenes Taktli
neal (22) von einem Sensor (23) empfangen wird und der
Sensor (23) ein elektrisches Taktsignal entsprechend der
Strickcodemarkierung an einen Zähler weitergibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Taktlineal (22) aus mindestens zwei Taktlineal abschnitten (22a, 22b) besteht, die mit versetzten Strich codemarkierungen (21a, 21b) versehen sind,
daß die Sensoreinheit aus zwei Einzelsensoren (23a, 23b) besteht, wobei der in Bewegungsrichtung (24) vornliegende Sensor (23b) bei Erreichen eines neuen Taktlinealabschnit tes (21b) eines Zählers (25) des ersten Sensors (23a) ab schaltet und die Strichcodemarkierungen (21b) des neuen Taktlinealabschnittes (22b) zählt und abspeichert bis der erste Sensor (23a) ebenfalls den neuen Taktlineal abschnitt (21b) erreicht und dann den Zähler (26) des zwei ten Sensors (23b) stillsetzt, während der erste Zähler (25) weiterzählt und die vom zweiten Zähler gespeicherten Takt signale aufsummiert werden.
daß das Taktlineal (22) aus mindestens zwei Taktlineal abschnitten (22a, 22b) besteht, die mit versetzten Strich codemarkierungen (21a, 21b) versehen sind,
daß die Sensoreinheit aus zwei Einzelsensoren (23a, 23b) besteht, wobei der in Bewegungsrichtung (24) vornliegende Sensor (23b) bei Erreichen eines neuen Taktlinealabschnit tes (21b) eines Zählers (25) des ersten Sensors (23a) ab schaltet und die Strichcodemarkierungen (21b) des neuen Taktlinealabschnittes (22b) zählt und abspeichert bis der erste Sensor (23a) ebenfalls den neuen Taktlineal abschnitt (21b) erreicht und dann den Zähler (26) des zwei ten Sensors (23b) stillsetzt, während der erste Zähler (25) weiterzählt und die vom zweiten Zähler gespeicherten Takt signale aufsummiert werden.
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