DE19711218C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einer Positionsmeßeinrichtung und einer Auswerteeinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einer Positionsmeßeinrichtung und einer nachgeordneten Auswerteeinheit.

Herkömmliche Positionsmeßeinrichtungen zur Bestimmung der Position zweier relativ zueinander beweglicher Teile, beispielsweise an einer Werk­ zeugmaschine, werden in der Regel über eine bestimmte Anzahl von Si­ gnalübertragungsleitungen mit einer nachgeordneten Auswerteeinheit, etwa einer numerischen Steuerung, verbunden. Grundsätzlich ist man nunmehr bei der Übertragung verschiedenster Signale zwischen der Positions­ meßeinrichtung und der nachgeordneten Auswerteeinheit bestrebt, die An­ zahl erforderlicher Signalübertragungsleitungen möglichst gering zu halten. Neben der Vermeidung unnötigen Verkabelungsaufwandes soll auch bei der Übertragung gegebenenfalls gewünschter zusätzlicher Signale möglichst die Kompatibilität mit der bisher üblichen Anzahl an Signalübertragungsleitun­ gen gewährleistet bleiben.

In bestimmten Einsatzbereichen gewinnen nunmehr zusehends Positions­ meßeinrichtungen an Bedeutung, bei denen neben der Übertragung von Inkrementalsignalen auch die Übertragung von absoluten Positionsdaten vorgesehen ist, d. h. es liegen unterschiedliche Signalarten hinsichtlich der Positionsinformation zur Übertragung vor. Neben der Zielsetzung, auch bei der zusätzlichen Übertragung von absoluten Positionsdaten die Anzahl der erforderlichen Signalübertragungsleitungen möglichst gering zu halten, ergibt sich in diesem Zusammenhang die weitere Forderung, daß auf Seiten der Auswerteeinheit sowohl die inkrementalen als auch die absoluten Positi­ onsdaten möglichst verzögerungsfrei zur Verfügung stehen sollten.

Grundsätzlich ist dabei aus der EP 0 660 209 A1 etwa ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einer Positionsmeßeinrichtung und einer Auswerteeinheit bekannt, wobei auf Seiten der Positionsmeßeinrichtung neben absoluten Positionsdaten auch inkrementale Positionsdaten erzeugt werden. Es ist jedoch lediglich eine Übertragung von absoluten Positionsdaten bzw. Codewörtern in serieller Form an die Auswerteeinheit über herkömmliche Signal­ übertragungsleitungen vorgesehen. Ebenso kann parallel zur Übertragung der Codewörter über weitere Signalübertragungsleitungen zusätzlich die Übertragung der inkrementalen Positionsdaten vorgesehen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei Positionsmeßeinrich­ tungen, die sowohl inkrementale als auch absolute Positionsdaten liefern, beide Signalarten über eine möglichst geringe Anzahl von Signalübertra­ gungsleitungen an die Auswerteeinheit zu übergeben. Darüberhinaus ist insbesondere eine verzögerungsfreie Übertragung der inkrementalen Positi­ onsdaten von der Positionsmeßeinrichtung zur Auswerteeinheit wün­ schenswert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgesehen, die absoluten Positionsdaten nicht auf einer separaten Signalübertragungsleitung von der Positions­ meßeinrichtung an die nachgeordnete Auswerteeinheit zu übertragen, son­ dern zu diesem Zweck eine bereits vorhandene Versorgungsleitung zwi­ schen der Positionsmeßeinrichtung und der Auswerteeinheit zu nutzen. Es erübrigt sich in diesem Fall eine separate Signalübertragungsleitung und der entsprechende Mehraufwand. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist vielmehr sichergestellt, daß mit den bislang vorhandenen Verbindungen zwischen der Positionsmeßeinrichtung und der Auswerteein­ heit auch die zusätzliche Übertragung der absoluten Positionsdaten möglich ist.

Desweiteren gewährleistet die erfindungsgemäße Signalübertragung, daß insbesondere die inkrementalen Positionsdaten der nachgeordneten Aus­ werteeinheit verzögerungsfrei zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen. Dies ist insbesondere hinsichtlich einer schnellen Weiterverarbeitung der gelieferten Positionsdaten von Bedeutung, um eine hohe Bandbreite in den entsprechenden Regelkreisen zu erreichen.

Die Übertragung von Inkrementaldaten auf einer Versorgungsleitung zwi­ schen einer Positionsmeßeinrichtung und einer Auswerteeinheit ist aus der DE 195 04 822 bekannt. Hinweise auf die mögliche Übertragung von abso­ luten Positionsdaten sind diesem Dokument jedoch ebensowenig zu ent­ nehmen, wie Details zur Ausgestaltung einer entsprechenden Vorrichtung bzw. eines entsprechenden Verfahrens.

Hinsichtlich der konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung bzw. des entsprechenden Verfahrens ergeben sich eine Reihe von Möglichkeiten, insbesondere bezüglich der Art und Weise der Übertragung der absoluten Positionsdaten auf der Versorgungsleitung. Es liegen somit diverse Möglichkeiten zur Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten vor.

Weitere Vorteile, Einzelheiten sowie mögliche Ausführungsformen des er­ findungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spieles anhand der beiliegenden Figur. In schematisierter Form ist dabei ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.

Die dargestellte Positionsmeßeinrichtung 1 umfaßt eine Maßstabteilung 2 sowie eine relativ dazu bewegliche Abtasteinheit 3. Die von der Positions­ meßeinrichtung 1 erzeugten, verschiedenartigen Positionsdaten werden an eine nachgeordnete Auswerteeinheit 6 zur Weiterverarbeitung übertragen.

Die Maßstabteilung 2 und die Abtasteinheit 3 sind beispielsweise mit zuein­ ander beweglichen Teilen einer Werkzeugmaschine verbunden, deren Re­ lativposition zueinander bestimmt werden soll. Als Auswerteeinheit 6 ist eine bekannte numerische Werkzeugmaschinensteuerung vorgesehen.

Neben dem schematisiert dargestellten Ausführungsbeispiel zur Erfassung von linearen Bewegungen können selbstverständlich auch rotatorische Meßsysteme erfindungsgemäß ausgestaltet werden.

Bei der Relativbewegung von Maßstabteilung 2 und Abtasteinheit 3 werden über ein erstes Teilmeßsystem mit einer ersten Signalerzeugungseinheit 4 periodisch modulierte, analoge Abtastsignale auf Seiten der Positions­ meßeinrichtung 1 erzeugt. Beim ersten Teilmeßsystem handelt es sich hier­ bei um ein bekanntes inkrementales Meßsystem, d. h. über die entspre­ chend ausgebildete erste Signalerzeugungseinheit 4 werden in bekannter Art und Weise inkrementale Positionsdaten bei der Abtastung der periodi­ schen Maßstabteilung 2 erzeugt. Die entsprechenden inkrementalen Positi­ onsdaten bestehen dabei aus zumindest zwei, um 90° phasenversetzten, periodisch modulierten Signalen, über die sowohl die Positionsinformation bezüglich der Relativlage von Maßstabteilung 2 und Abtasteinheit 1 als auch die entsprechende Richtungsinformation auf Seiten der nachgeordneten Auswerteeinheit 6 zur Verfügung steht.

Die Erzeugung der inkrementalen Positionsdaten über das erste bzw. in­ krementale Teilmeßsystem kann dabei in vielfältigster Form erfolgen, d. h. es können hierzu in bekannter Art und Weise optische, magnetische, induk­ tive oder aber kapazitive Abtastprinzipien eingesetzt werden. Aus diesem Grund sind in der Figur auch keine weiteren Details des inkrementalen Teilmeßsystems dargestellt, sondern lediglich die zugehörige Signalerzeu­ gungseinheit 4 schematisiert angedeutet.

Beispielsweise kann im Fall eines eingesetzten optischen Abtastprinzipes eine reflektierende Maßstabteilung 2 abgetastet werden. Die entsprechend ausgebildete erste Signalerzeugungseinheit 4 umfaßt dann ein oder meh­ rere Lichtquellen sowie optoelektronische Detektorelemente, über die die von der Maßstabteilung 2 reflektierten Strahlenbündel erfaßt werden.

Bei den von der ersten Signalerzeugungseinheit 4 generierten inkrementa­ len Positionsdaten ist dabei zum einen die Übertragung der eigentlichen analogen Inkrementalsignale bzw. Abtastsignale an die Auswerteeinheit 6 möglich, wie dies in der dargestellten Ausführungsform der Fig. 1 vorgese­ hen ist. Daneben kann jedoch auch bereits innerhalb der Positionsmeßein­ richtung 1 bzw. Abtasteinheit 3 eine Weiterverarbeitung der analogen Inkremental­ signale dergestalt erfolgen, daß diese in einer - nicht dargestellten - Di­ gitalisierungseinheit in digitale Signale in Rechteckform umgewandelt und diese an die Auswerteeinheit 6 übertragen werden. Selbstverständlich kann auf Seiten der Positionsmeßeinrichtung 1 auch bereits eine Weiterver­ arbeitung der Inkrementalsignale in Form einer Interpolation derselben vor­ gesehen sein, so daß an die Auswerteeinheit 6 bereits interpolierte Inkre­ mentalsignale übertragen werden usw.

Neben den inkrementalen Positionsdaten werden in der dargestellten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung über ein zweites Teil­ meßsystem bzw. eine entsprechende zweite Signalerzeugungseinheit 5 ab­ solute Positionsdaten bezüglich der Position von Maßstabteilung 2 und Ab­ taststeinheit 3 erzeugt, die ebenfalls an die nachgeordnete Auswerteeinheit 6 übergeben werden sollen.

Hinsichtlich der konkreten Ausführungsform des zweiten Teilmeßsystems bzw. der Ausgestaltung der entsprechenden Mittel in der Positionsmeßein­ richtung 1 gibt es wiederum eine Reihe von bekannten Möglichkeiten; ent­ sprechend wurde demzufolge auf die detaillierte Darstellung desselben in der Figur verzichtet.

So kann hierzu beispielsweise eine bekannte, optisch abgetastete Code­ scheibe eingesetzt werden, über die die absolute Positionsinformation er­ zeugbar ist. Desweiteren kann ein Teilmeßsystem eingesetzt werden, das über den interessierenden Meßbereich genau eine Signalperiode aufweist und innerhalb dieser Signalperiode eine eindeutige Bestimmung der Abso­ lutposition ermöglicht usw. Entscheidend bezüglich des zweiten bzw. abso­ luten Teilmeßsystems und der zugehörigen Signalerzeugungseinheit 5 ist lediglich, daß damit die Erzeugung absoluter Positionsdaten möglich ist.

Die von dem jeweiligen zweiten Teilmeßsystem bzw. der entsprechenden zweiten Signalerzeugungseinheit 5 generierten absoluten Positionsdaten werden nunmehr erfindungsgemäß nicht über separate Verbindungsleitun­ gen an die nachgeordnete Auswerteeinheit 6 übergeben, vielmehr ist vorge­ sehen, die absoluten Positionsdaten auf mindestens einer der vorhandenen Versorgungsleitungen 9a, 9b von der Positionsmeßeinrichtung 1 zur Aus­ werteeinheit 6 zu übertragen. Über die Versorgungsleitungen 9a, 9b erfolgt ansonsten die Strom- und Spannungsversorgung der Positionsmeßeinrich­ tung 1 bzw. der zur Positionsmeßeinrichtung 1 gehörigen Bauelemente, wie ggf. Lichtquellen optoelektronische Detektorelemente etc. Zu diesem Zweck ist auf Seiten der Auswerteeinheit 6 eine geeignete Strom- und Spannungsversorgungseinheit 14 vorgesehen, wobei diese keineswegs in die Auswerteeinheit 6 integriert sein muß.

Auf Seiten der Positionsmeßeinrichtung 1 ist zur Übertragung der absoluten Positionsdaten auf einer oder mehrerer der Versorgungsleitungen 9a, 9b eine Aufbereitung der vom absoluten Teilmeßsystem erzeugten Positions­ daten erforderlich, was dort über eine Modulatoreinheit 8 erfolgt. Die Art und Weise der dort vorgenommenen Datenaufbereitung wiederum hängt von der gewählten Übertragungsart der absoluten Positionsdaten auf den Versor­ gungsleitungen 9a, 9b ab.

In der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden über die Modulatoreinheit 8 die auf Seiten der Positionsmeßeinrich­ tung 1 erzeugten absoluten Positionsdaten in modulierter Form auf den Ver­ sorgungsleitungen 9a, 9b an die Auswerteeinheit 6 übertragen. Zur Übertra­ gung der absoluten Positionsdaten können dabei die verschiedensten be­ kannten Modulationsverfahren eingesetzt werden.

Auf Seiten der Auswerteeinheit 6 ist zur Erfassung der auf zumindest einer Versorgungsleitung 9, 9b übertragenen absoluten Positionsdaten wiederum eine Demodulatoreinheit 13 angeordnet, die in der Lage ist, die übertrage­ nen Positionsdaten von den Versorgungsleitungen zu entkoppeln und die absolute Positionsinformation zur Weiterverarbeitung in der Auswerteeinheit 6 zur Verfügung zu stellen. Im Fall der moduliert übertragenen Daten über­ nimmt die Demodulatoreinheit 13 demzufolge im wesentlichen eine entspre­ chende Demodulation der absoluten Positionsdaten.

In der dargestellten Ausführungsform werden zur Übertragung der absolu­ ten Positionsdaten die zwei vorhandenen Versorgungsleitungen 9a, 9b ge­ nutzt. Hierbei werden auf einer der beiden Versorgungsleitungen 9a, 9b die eigentlichen absoluten Positionsdaten übertragen, während auf der anderen die hierzu invertierten bzw. um 180° phasenversetzten Signale übertragen werden. Daneben ist es aber auch möglich, die modulierten Positionsdaten auf einer Versorgungsleitung zu übertragen, während auf der anderen Ver­ sorgungsleitung eine konstante Bezugsspannung anliegt.

In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, eine synchronisierte Übertragung der Positionsdaten auf den Versorgungsleitungen vorzuneh­ men, wozu entsprechende weitere Leitungen zur Übertragung der Synchro­ nisierungssignale zwischen der Positionsmeßeinrichtung und der Auswerte­ einheit vorzusehen sind.

Neben den bislang erläuterten Maßnahmen erweist es sich desweiteren als vorteilhaft, über geeignet angeordnete Filterelemente in den Versorgungs­ leitungen 9a, 9b zu verhindern, daß die aufmodulierten Signale die Strom- bzw. Spannungsversorgung der Positionsmeßeinrichtung 1 und/oder die Auswerteeinheit 6 stören. Hierzu kann vor den entsprechenden Elementen, die auf beiden Seiten mit den Versorgungsleitungen 9a, 9b verbunden sind vorgesehen werden, entsprechende Filterelemente anzuordnen.

Die Übertragung der vom ersten Teilmeßsystem erzeugten, inkrementalen Positionsdaten erfolgt in der dargestellten Ausführungsform über insgesamt vier Signalübertragungsleitungen 10a, 10b, 11a, 11b zwischen der Positi­ onsmeßeinrichtung 1 und der Auswerteeinheit 6. Die inkrementalen Positi­ onsdaten bestehen hierbei aus insgesamt zwei Teilsignal-Paaren, die ge­ geneinander um 90° phasenversetzt sind. Innerhalb eines Teilsignal-Paares liegen wiederum um 180° gegeneinander phasenversetzte bzw. invertierte Positionssignale zueinander vor.

Zur Auswertung der inkrementalen Positionsdaten würde jedoch grundsätz­ lich die bloße Übertragung zweier, um 90° phasenversetzter Signale genü­ gen, d. h. die erfindungsgemäße Vorrichtung könnte in einer alternativen Ausführungsform selbstverständlich auch mit nur zwei Signalübertragungs­ leitungen zur Übertragung der inkrementalen Positionsdaten arbeiten.

In der schematisierten Darstellung der Fig. 1 ist auf Seiten der Abtastein­ heit 3 bzw. Positionsmeßeinrichtung 1 desweiteren eine dritte Signalerzeu­ gungseinheit 7 angedeutet. Über diese erfolgt die Erzeugung eines Refe­ renzimpulssignales in bekannter Art und Weise bei ein oder mehreren defi­ niert-bekannten Relativpositionen von Maßstabteilung 2 und Abtasteinheit 3. Die von der dritten Signalerzeugungseinheit 7 generierten Referenzimpuls­ signale werden über ein weiteres Paar von Signalübertragungsleitungen 12a, 12b an die Auswerteeinheit 6 übergeben und dort weiterverarbeitet. Hierbei ist wie bei den anderen Signalen ebenfalls eine Übertragung von zueinander invertierten Signalen auf den beiden Signalübertragungsleitun­ gen 12a, 12b vorgesehen. Das heißt es werden neben dem eigentlichen Referenzimpulssignal auch die hierzu um 180° phasenversetzten Signale übertragen. Hinsichtlich der erfindungswesentlichen Maßnahmen bezüglich der Übertragung der absoluten Positionsdaten auf den Versorgungsleitun­ gen spielt die Übertragung des Referenzimpulssignales bzw. die Art und Weise der Übertragung jedoch keine weitere Rolle, sondern sollte lediglich im Zusammenhang mit möglichen Ausführungsformen der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens erwähnt werden.

Bezüglich der konkreten Ausgestaltung der verschiedenen, erläuterten Komponenten auf Seiten der Auswerteeinheit 6 als auch auf Seiten der Po­ sitionsmeßeinrichtung 1 existieren demzufolge vielfältige Möglichkeiten. Bei allen Ausführungsformen ist jedoch eine Übertragung der erzeugten abso­ luten Positionsdaten auf mindestens einer Versorgungsleitung 9a, 9b vorge­ sehen; parallel hierzu erfolgt die verzögerungsfreie und kontinuierliche Übertragung inkrementaler Positionsdaten.

Claims (16)

1. Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen einer Positionsmeßein­ richtung (1) und einer Auswerteeinheit (6), wobei auf Seiten der Positi­ onsmeßeinrichtung (1) neben inkrementalen Positionsdaten auch ab­ solute Positionsdaten erzeugt werden und die absoluten Positionsdaten über ein oder mehrere Versorgungsleitungen (9a, 9b) zur Auswerteein­ heit (6) übertragen werden, die zwischen der Positionsmeßeinrichtung (1) und der Auswerteeinheit (6) angeordnet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die inkrementalen Positionsdaten mit einem inkrementalen Teil-Meßsystem und die absoluten Positionsdaten mit einem absoluten Teil-Meßsystem erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die absoluten Positionsdaten mit einer optisch abgetasteten Codescheibe erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die absoluten Positionsdaten mit einem absoluten Teil-Meßsystem erzeugt werden, das über den zu er­ fassenden Meßbereich lediglich eine Signalperiode liefert, so daß in­ nerhalb der Signalperiode eine absolute Positionsbestimmung möglich ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die absoluten Positionsdaten in modulierter Form auf der Versorgungsleitung (9a, 9b) übertragen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Meßbetriebes laufend sowohl die inkrementalen als auch die absoluten Positionsdaten über­ tragen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die inkrementalen Positionsdaten auf mindestens einer Signalübertragungsleitung (10a, 10b, 11a, 11b) zur Auswerteeinheit (6) übertragen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei auf Seiten der Auswerteeinheit (6) die übertragenen absoluten Positionsdaten demoduliert und zur Weiter­ verarbeitung bereitgestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die absoluten Positionsdaten auf zwei Versorgungsleitungen (9a, 9b) in zueinander invertierter Form mit 180° Phasenversatz übertragen werden.

10. Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einer Positions­ meßeinrichtung (1) und einer Auswerteeinheit (6), wobei auf Seiten der Positionsmeßeinrichtung (1) über ein inkrementales Teilmeßsystem die Erzeugung von inkrementalen Positionsdaten und über ein absolutes Teilmeßsystem die Erzeugung von absoluten Positionsdaten erfolgt und über eine Modulatoreinheit (8) die Positionsdaten des absoluten Teil­ meßsystems derart aufbereitet werden, daß eine Übertragung der ab­ soluten Positionsdaten über eine Versorgungsleitung (9a, 9b) zwischen der Positionsmeßeinrichtung (1) und der Auswerteeinheit (6) möglich ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei auf Seiten der Auswerteeinheit (6) eine Demodulatoreinheit (14) angeordnet ist, um die auf der Versor­ gungsleitung (9a, 9b) übertragenen absoluten Positionsdaten von der Versorgungsleitung (9a, 9b) zu entkoppeln und zur weiteren Auswer­ tung bereitzustellen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei zwischen der Positionsmeßein­ richtung (1) und der Auswerteeinheit (6) mindestens zwei Signalüber­ tragungsleitungen (9a, 9b) angeordnet sind, auf denen zwei phasenver­ setzte Inkrementalsignale von der Positionsmeßeinrichtung (1) zur Auswerteeinheit (6) übertragbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei zwischen der Positionsmeßein­ richtung (1) und der Auswerteeinheit (6) zwei Signalübertragungsleitun­ gen (10a, 11a) angeordnet sind, auf denen zwei phasenversetzte In­ krementalsignale von der Positionsmeßeinrichtung (1) zur Auswerteein­ heit (6) übertragbar sind sowie zwei weitere Signalübertragungsleitun­ gen (10b, 11b), auf denen invertierte Signale zu den erstgenannten In­ krementalsignalen übertragbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei desweiteren zwei Signalübertra­ gungsleitungen (12a, 12b) zwischen der Positionsmeßeinrichtung (1) und der Auswerteeinheit (6) angeordnet sind, auf denen Referenzim­ pulssignale sowie hierzu invertierte Signale übertragbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Modulatoreinheit (8) auf Sei­ ten der Positionsmeßeinrichtung (1) derart ausgebildet ist, daß damit die absoluten Positionsdaten zur Übertragung an die Auswerteeinheit (6) auf mindestens eine Versorgungsleitung (9a, 9b) aufmodulierbar sind und die auf Seiten der Auswerteeinheit (6) angeordnete Demodu­ latoreinheit (14) so ausgebildet ist, daß damit eine Demodulation der moduliert übertragenen absoluten Positionsdaten möglich ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei auf Seiten der Positionsmeßein­ richtung (1) und/oder auf Seiten der Auswerteeinheit (6) Filterelemente vor Bauelementen angeordnet sind, die mit der Versorgungsleitung (9a, 9b) verbunden sind, auf der eine Übertragung der absoluten Positions­ daten erfolgt.