DE19621015C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung von bewegten Maschinenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionserfassung von bewegten Maschinenteilen, bestehend aus mindestens zwei als Taktlineale ausgebildeten Codeträgern 1a, b mit jeweils gleichbeabstandeten Codemarken 3, die von einem auf einem Sensorschlitte 7 angeordneten Sensor 4 abtastbar sind, der mit einem Zählwerk 5 über Leitungen 6a, b verbunden ist, wobei auf dem Sensorschlitten 7 ein weiterer Sensor 8 angeordnet ist, der über eine Leitung 9a mit einem Comparator 10, der eine Prü­ feinrichtung 10' für die über Leitung 9a empfangenen Codesignale enthält, verbunden ist und diese Codesignale bei einer Verände­ rung des Codemarkenabstandes an ein Zählwerk 11 weiterleitet, während das Zählwerk 5 von der Leitung 6b getrennt ist.

Aus der DE 27 30 715 C3 ist eine Einrichtung zur Längenmessung bekannt, bei der ein aus zwei oder mehreren Teilstücken zusam­ mengesetzter Maßstab verwendet wird. Um Meßungenauigkeiten an der Stoßstelle zu verringern, weist ein über dem Maßstab ver­ stellbarer Schlitten zwei Gruppen von Phototransistoren auf, die an der Stoßstelle wechselweise auf einen Zähler aufgeschaltet werden. Die Schaltimpulse werden von Steuer-Phototransistoren über eine vom Maßstab getrennt angeordnete Steuerspur erzeugt.

Eine weitere Vorrichtung zur Positionierung bewegter Maschinen­ teile ist aus der US-Patentschrift 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.

Entsprechend den Angaben der DE 27 30 715 C3 erscheint es daher grundsätzlich möglich, mehrere Taktlineale kürzerer Länge zu einem neuen Taktlineal mit entsprechend größerer Arbeitslänge zusammenzusetzen. Der dabei auftretende Versatz zwischen Taktli­ neal und Steuerspur kann jedoch insbesondere bei größeren Längen und schnell bewegten Maschinenteilen das Lichtsignal verfälschen und zu Ungenauigkeiten in der Positionsbestimmung führen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Versatz an den Stoß­ stellen bei einer Reparatur und Demontage der Längenmeßeinrich­ tung verändert wird, so daß ein Fehler in der Codierung auf­ treten kann, insbesondere bei getrennt angeordneten Taktlinealen und Steuerspuren. Dieses führt zwangsläufig zu Meßfehlern und damit zu einer falschen Positionsbestimmung der Maschinenteile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren anzugeben mit der/dem auch an den Stoß­ kanten die in den übrigen Bereichen des Taktlineals erzielte Meßgenauigkeit stets erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch einen Vorrichtung mit den im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. mit einem Verfahren, dessen Verfahrensschritte im Anspruch 3 angegeben sind, gelöst. Es hat sich gezeigt, daß durch Verwendung von zwei Sensoren und zusätz­ lichen Comparator-Einheiten, die eine Abweichung zwischen einem Prüfsignal und dem gemessenen Codemarkenabständen feststellen können, Fehlerquellen durch rechtzeitige Umschaltung auf einen neuen Taktlinealabschnitt vermieden werden können.

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 Fehlerabweichung erkannt und durch + max. 0,5 Codemarken- Abstand 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 (4)

1. Vorrichtung zur Positionserfassung von zwei relativ zuein­ ander bewegten Maschinenteilen, bestehend aus mindestens zwei aneinanderstoßenden und als Taktlineale ausgebildeten Codeträgern (1a, 1b), deren Codemarken (3) den gleichen Abstand haben und die von einem auf einer Sensoreinheit (7) angeordneten ersten Sensor (4) abtastbar sind, der über eine Leitung (6a) mit einem Comparator (12) verbunden ist, dem eine Prüfeinrichtung (12') für die über Leitung (6a) empfangenen Codesignale zugeordnet ist und dessen erster Ausgang über Leitung (6b) mit einem Zählwerk (5) verbunden ist und dessen zweiter Ausgang über Leitung (14) mit einer Transfereinheit (13) verbunden ist, mit einem auf der Sen­ soreinheit (7) in Bewegungsrichtung voranliegend angeordne­ ten Sensor (8) der über eine Leitung (9a) mit einem Compa­ rator (10) verbunden ist, dem eine Prüfeinrichtung (10') für die über die Leitung (9a) empfangenen Codesignale zu­ geordnet ist, deren Ausgang über Leitung (17) mit einem Zählwerk (11) verbunden ist und das Zählwerk über Leitung (15) mit der Transfereinheit (13) und die Transfereinheit weiter über Leitung (16) mit dem Zähler verbunden ist, wobei bei Abweichung des Codemarkenabstandes der von dem Sensor (8) erfaßten Codemarken (3) an einer Stoßstelle die Codesignale (3) des Sensors (8) von dem Comparator (10) an das Zählwerk (11) weitergeleitet werden und gleichzeitig das Zählwerk (5) von der Leitung (6b) getrennt wird und wobei ferner bei Abweichung von dem zwischen dem Sensor (4) an einer Stoßstelle gemessenen Codemarkenabstand und dem Prüfsignal der Prüfeinrichtung (12') die vom Sensor (4) gelieferten Codesignale und der gemessene abweichende Code­ markenabstand über die Leitung (14) an die Transfereinheit (13) gelangen und die Transfereinheit (13) die vom Zählwerk (11) über Leitung (15) empfangenen und auf summierten Signa­ le an das Zählwerk (5) über Leitung (16) abgibt und damit das Zählwerk (5) wieder mit der Leitung (6b) zum Empfang neuer Codesignale aus dem Sensor (4) verbindet und in entsprechender Signalverknüpfung bei umgekehrter Verfahrensweise.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Prüfeinrichtung für das vom Sensorschlit­ ten (7) empfangene Signal vorhanden ist, die eine durch Beschleunigungsvorgänge veränderte Signalstruktur erkennt und ein entsprechend verändertes Prüfsignal zur Verfügung stellt.

3. Verfahren zur Positionsbestimmung von bewegten Maschinent­ eilen, 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, wobei das Taktlineal (22) aus mindestens zwei Taktlinealabschnitten (22a, 22b) mit gegeneinander versetzten Strichcodemarkierungen (21a, 21b) besteht und wobei die aus zwei Einzelsensoren (23a, 23b) bestehende Sensoreinheit mit in. Bewegungsrichtung (24) vornliegendem Sensor (23b) bei Erreichen eines neuen Takt­ linealabschnittes (21b) den Zähler (25) des ersten Sen­ sors (23a) abschaltet und die Strichcodemarkierungen (21b) des neuen Taktlinealabschnit­ tes (22b) zählt und abspeichert bis der erste Sensor (23a) ebenfalls den neuen Taktlinealabschnitt (21b) erreicht und dann den Zähler (26) des zweiten Sensors (23b) stillsetzt, während der erste Zähler (25) weiterzählt und die vom zwei­ ten Zähler gespeicherten Taktsignale aufsummiert werden, wobei beim Übergang von einem zum anderen Taktlineal durch Vergleich des gemessenen Code­ signals mit einem Prüfsignal eine Fehlerabweichung erkannt und durch ± max. 0,5 Codemarkenabstand im neuen Taktlineal­ abschnitt berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem beim Übergang von einer Codemarkie­ rung (3a) auf eine neue Codemarkierung (3b) ausgesandten Codesignal ein Prüfsignal erzeugt wird, das eine entspre­ chend dem Beschleunigungszustand veränderte Struktur zur Korrektur des Codesignals aufweist.