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Bei
modernen Fertigungsmaschinen, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen,
ist es notwendig, genaue Positionsdetektoren zum exakten Vermessen
und Herstellen großer
Teile zu haben. Oft sind derartige Maschinen groß und voluminös und erfordern
die Verwendung langer und genauer Positionsdetektoren, welche schwierig
herzustellen und schwierig exakt anzubringen sind. Diese Positionsdetektoren
sind üblicherweise
an zwei Bauteilen der Werkzeugmaschine angebracht und stellen Information über die
Verlagerung zwischen den beiden Bauteilen bereit. Die vorliegende
Erfindung betrifft Verbesserungen bei einem Positionsdetektor, welcher zum
Messen der relativen Verlagerung zwischen zwei Bauteilen verwendet
wird.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen zum Bereitstellen
von Positionsinformation verwendet worden, zum Beispiel durch Bereitstellen
eines elektrischen Signals, das sich bei einer Verlagerung verändert. Eine
derartige Anordnung ist in der GB 1513567 offenbart, wobei ein erstes
Bauteil, das eine Reihe von Kugeln trägt, sich relativ zu einem zweiten
Bauteil bewegt, welches elektromagnetische Induktionsspulen und
Sondenspulen trägt.
Ein Magnetfeld wird entlang der Berührungslinie der Kugeln durch
die Induktionsspulen induziert und die Signalausgabe der Sondenspulen
hängt von
der Position der Kugeln ab. Eine relative Verlagerung zwischen dem
ersten und dem zweiten Bauteil führt
zu einer Bewegung der Kugeln an den Sondenspulen vorbei, wodurch
ein Signal bereitgestellt wird, das sich mit der Verlagerung ändert. Bei
einer derartigen Anordnung muss die Anzahl der Perioden des Signals
gezählt
werden, um die relative Verlagerung zu berechnen.
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Obwohl
das in der GB 1513567 offenbarte Gerät kommerziell erfolgreich ist, hat
es eine begrenzte Auflösung
und kann keine automatische Kalibration oder Eigendiagnose durchführen. Zusätzlich generiert
dieser Positionsdetektor des Standes der Technik nicht normgerechte
Signale, welche vom Originalhersteller der Detektoren, üblicherweise
als OEM bezeichnet, konstruierte Ausrüstung benötigen um die Signale zu dekodieren
und daher die Positionsinformation bereitzustellen.
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Geräte des Standes
der Technik, wie beispielsweise das aus der GB 1513567, werden manuell
durch eine qualifizierte Bedienperson kalibriert. Im Allgemeinen
wird, nach der Herstellung und dem Zusammenbau des Geräts und vor
der Verwendung im Betrieb, die Genauigkeit des Geräts mit einem
Standardgerät
verglichen und angepasst, im Abweichungen zu minimieren. Diese Anpassung
erfolgt unter Verwendung von manuellen Potentiometern innerhalb
des Geräts.
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Sobald
das Gerät
in Betrieb ist, ist eine Nachkalibration aufwendig. Zusätzlich können sich die
Geräte
nicht selbst anpassen, um Fluktuationen der Signale zu berücksichtigen,
zum Beispiel wegen Änderungen
der Umgebungstemperatur, der Betriebsfrequenz, oder sogar der Eigenschaften
der Komponenten des Geräts
mit der Zeit. Obwohl diese Fluktuationen relativ klein sein können, beeinflussen sie
die Genauigkeit des Geräts.
Ein weiterer Nachteil der Geräte
des Standes der Technik ist, dass diese keine unmittelbare Anzeige
bereitstellen, dass das Gerät
eine Nachkalibration benötigt,
was für
kleine, aber signifikante Abweichungen besonders wichtig ist.
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Die
Betriebsfrequenz bestimmt die Auflösung der Geräte des Standes
der Technik. Diese Geräte
werden im Allgemeinen bei einer relativ niedrigen Frequenz von 1
kHz (1000 Zyklen pro Sekunde) betrieben. Obwohl die Geräte bei höheren Frequenzen
betrieben werden können
und höhere
Auflösungen
bereitstellen könnten,
würde dies
hochfrequentere Taktgeber erfordern, welche teurer sind. Zusätzlich führen höhere Betriebsfrequenzen
zu einer Änderung
der magnetischen Eigenschaften des Systems, was wiederum ohne Korrektur
zu vergrößerten Fehlern
in der Positionsmessung führen
würde.
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Ferner
kann bei den Geräten
des Standes der Technik die Interpolation der Signale zum Bereitstellen
von Positionsinformation nur einmal pro Zyklus erfolgen. Das liegt
daran, dass die Geräte
des Standes der Technik funktionieren, indem sie die Phasenverschiebung
zwischen den Antriebs- und Antwortsignalen
vergleichen, was am einfachsten dadurch bewerkstelligt wird, dass
die Nullamplitude der Signale verglichen wird. Da die Interpolation
nur einmal pro Zyklus erfolgen kann, sind die Geräte des Standes
der Technik für
die üblicherweise
verwendete Größe der Kugeln
und Betriebsfrequenz auf etwa 2,5 μm Auflösung begrenzt. Verbesserungen
in der Betriebsgeschwindigkeit von Fertigungsmaschinen bedeuten
dass, in gewissen Fällen
diese Auflösung nicht
ausreicht. Eine genaue Auflösung
in der Größenordnung
von 1 μm
und weniger ist erforderlich.
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Demgemäß stellt
die vorliegende Erfindung einen Positionsdetektor bereit, umfassend
ein erstes Bauteil, ein zweites Bauteil, einen Wandler, wenigstens
einen Analog-Digital-Signalwandler, und wenigstens einen digitalen
Signalprozessor, wobei:
- das erste Bauteil einen Zug von
Elementen aus magnetischem Material trägt, welche nebeneinander in einer
Reihe angeordnet sind, welche eine zentrale Achse aufweisen, wobei
die Achsen einander berühren,
und welche gegen Bewegung relativ zueinander festgehalten sind,
wobei sich eine Abmessung des Zuges in einer Richtung senkrecht
zu der zentralen Achse ändert;
- das erste und das zweite Bauteil in einer Richtung parallel
zu der zentralen Achse relativ zueinander bewegbar sind;
- das zweite Bauteil den Wandler trägt;
- der Wandler Übertragungs-
und Abtastmittel umfasst, wobei das Übertragungsmittel zum Erzeugen
eines Magnetfeldes durch den Zug von Elementen eingerichtet ist
und das Abtastmittel wenigstens eine Sondenspule umfasst, welche
neben dem Zug von Elementen angeordnet ist, und welche zum Erfassen von Änderungen
im Magnetfeld eingerichtet ist, die während einer Relativbewegung
zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil erzeugt werden, aufgrund
der Änderung
des Abstands zwischen der Sondenspulen und dem Rand des Zuges von
Elementen, welcher sich am nächsten
an den Sondenspulen befindet, wodurch die oder jede Sondenspule
ein analoges Signal bereitstellt, mit einer Amplitude, welche für die relative
Position des ersten und des zweiten Bauteils charakteristisch ist;
- der oder jeder Analog-Digital-Signalwandler zum Empfangen des
analogen Signals von einer entsprechenden Sondenspule und zur Umwandlung
desselben in ein digitales Signal eingerichtet ist;
- und der oder jeder digitale Signalprozessor zum Empfangen der
digitalen Signale von dem oder jedem Analog-Digital-Wandler eingerichtet
ist, und in vorbestimmten Abfrage-Intervallen zum Abfragen der digitalen
Signale und zum Bestimmen der Position des ersten Bauteils relativ
zum zweiten Bauteil unter Verwendung der charaktenstischen Änderung
der Signalamplitude hinsichtlich der relativen Position des ersten
und des zweiten Bauteils betreibbar ist; wobei der digitale Signalprozessor
eingerichtet ist, Merkmale der Änderung
der Signalamplitude hinsichtlich der Position von den Signalen von
einer ersten Gruppe von Sondenspulen mit Merkmalen der Änderung
der Signalamplitude hinsichtlich der Position von einer zweiten
Gruppe von Sondenspulen zu vergleichen, und die Amplitudenmerkmale
anzupassen, um Signale von der ersten und der zweiten Gruppe von
Spulen mit im Wesentlichen gleichen Amplitudenmerkmalen zu erzeugen.
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Vorzugsweise ändert sich
die Abmessung des Zuges senkrecht zur zentralen Achse in einem wiederholten
Muster entlang des Zuges.
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Der
digitale Signalprozessor kann ebenfalls die Signale in regelmäßigen, vorbestimmten
Intervallen abfragen.
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Vorzugsweise
ist das Übertragungsmittel zum
Erzeugen eines sich hinsichtlich der Zeit periodisch ändernden
Magnetfeldes eingerichtet. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
ist der digitale Signalprozessor eingerichtet, die Signale von den
Sondenspulen im Wesentlichen in der Nähe ihrer Peak-Amplituden hinsichtlich
der Zeit abzufragen. Alternativ kann der digitale Signalprozessor
eingerichtet sein, das Abfragen der Signale so zu überwachen und
anzupassen, dass es im Wesentlichen in der Nähe ihrer Peak-Amplituden hinsichtlich
der Zeit stattfindet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Zug von Elementen eine Mehrzahl von im Wesentlichen
sphärischen,
identischen Kugeln aus magnetischem Material umfasst, welche nebeneinander
mit Punktberührung
angeordnet sind, wobei:
- das erste und das zweite Bauteil
relativ zueinander in einer Richtung parallel zu der Linie der Punktberührungen
zwischen den Kugeln bewegbar sind,
- das Abtastmittel mindestens zwei Sondenspulen umfasst, welche
neben dem Zug von Elementen und in Abständen daran entlang angeordnet
sind;
- und der digitale Signalprozessor eingerichtet ist, die Position
des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil durch Verwendung
einer mathematischen Berechnung zu bestimmen, welche umfasst:
- einen Arkustangens-Wert eines Quotienten der Amplitude eines
abgefragten ersten digitalen Signals von wenigstens einer Sondenspule
und der Amplitude eines abgefragten zweiten digitalen Signals von
wenigstens einer anderen Sondenspule,
- die relative Amplitude und die entsprechenden Positionen der
Signale oberhalb oder unterhalb einer Achse, um welche die Signale
fluktuieren,
- und eine Konstante, wobei die Konstante von einer Peak-Amplitude
der Signale hinsichtlich der Position und einer Kugelabmessung bestimmt
ist.
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Vorzugsweise
ist bei dieser Ausführungsform
die Peak-Amplitude der Signale hinsichtlich der Position mit Kalibrations-Einstellwerten
bestimmt. Alternativ ist die Peak-Amplitude der Signale hinsichtlich
der Position, welche in der Konstanten der mathematischen Berechnung
verwendet wird, durch Abfragen der Peak-Amplitude der Signale hinsichtlich der
Position über
eine Zeitspanne während
des Betriebs bestimmt.
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Vorteilhaft
ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform
der digitale Signalprozessor eingerichtet, die Amplitude der Signale
hinsichtlich der Position oberhalb einer Achse, um welche das Signal
fluktuiert, mit der Amplitude des entsprechenden Signals unterhalb
der Achse zu vergleichen, und die Amplituden der Signale anzupassen,
um symmetrische Signale mit im Wesentlichen gleichen Amplituden
oberhalb und unterhalb der Achse zu erzeugen.
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Vorzugsweise
umfasst der Wandler:
- wenigstens eine Gruppe von vier Sondenspulen,
welche neben der Reihe von Kugeln und in Abständen daran entlang angeordnet
sind;
- wobei der digitale Signalprozessor eingerichtet ist, die Ungleichgewichte
in den ersten/dritten und zweiten/vierten Signalpaaren zu messen
und die Signale so anzupassen, dass das Ungleichgewicht zwischen dem
jeweiligen Signalpaar reduziert wird.
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Alternativ
umfasst der Wandler:
- wenigstens eine Gruppe von vier Sondenspulen,
welche neben der Reihe von Kugeln und in Abständen daran entlang angeordnet
sind;
- und wenigstens einen Ungleichgewichts-Schaltkreis für jedes
Paar von ersten/dritten und zweiten/vierten Sondenspulen in der
Gruppe, wobei der Ungleichgewichts-Schaltkreis eingerichtet ist,
die Signale von den Sondenspulen zu empfangen und ein Potentiometer
umfasst, welches eingerichtet ist, analoge Signale von den Sondenspulen
zu empfangen und anzupassen, und einen Subtraktions-Schaltkreis;
- wobei die erste Sondenspule der Gruppe eingerichtet ist, ein
Signal niedrigerer Amplitude als die dritte Sondenspule der Gruppe
zu empfangen,
- und die vierte Sondenspule der Gruppe eingerichtet ist, ein
Signal niedrigerer Amplitude als die zweite Sondenspule der Gruppe
zu empfangen, und das Potentiometer für das erste/dritte Paar von
Sondenspulen zum Erhöhen
der Amplitude des ersten Sondenspulen-Signals durch Addieren eines
Anteils der Amplitude des ersten Sondenspulen-Signals betreibbar ist,
und der Subtraktions-Schaltkreis zum Subtrahieren der Amplitude
des dritten Sondenspulen-Signals betreibbar ist, um das erste Signal,
welches in der mathematischen Berechnung verwendet wird, bereitzustellen,
- und das Potentiometer für
das vierte/zweite Paar von Sondenspulen zum Erhöhen der Amplitude des vierten
Sondenspulen-Signals durch Addieren eines Anteils der Amplitude
des vierten Sondenspulen-Signals betreibbar ist, und der Subtraktions-Schaltkreis zum
Subtrahieren der Amplitude des zweiten Sondenspulen-Signals betreibbar
ist, um das zweite Signal, welches in der mathematischen Berechnung
verwendet wird, bereitzustellen.
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Die
Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren bereit zum Bestimmen der
Verschiebung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil des
vorangehend beschriebenen Positionsdetektors, umfassend: Abfragen
der digitalen Signale und Verwenden der charakteristischen Änderung
der Signalamplitude hinsichtlich der relativen Position des ersten
und des zweiten Bauteils zum Bestimmen der relativen Position des
ersten und des zweiten Bauteils.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren: Vergleichen von Merkmalen der Änderung
der Signalamplitude hinsichtlich der Position der Signale von einer
ersten Gruppe von Sondenspulen mit Merkmalen der Änderung
der Signalamplitude hinsichtlich der Position von einer zweiten
Gruppe von Sondenspulen, und Anpassen der Amplitudenmerkmale zum Erzeugen
von Signalen von der ersten und der zweiten Gruppe von Spulen mit
im Wesentlichen gleichen Amplitudenmerkmalen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform,
bei der der Zug eine Mehrzahl von sphärischen Kugeln umfasst, umfasst
das Verfahren:
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Abfragen
der Signale von den Sondenspulen des Wandlers in vorbestimmten Intervallen,
- Berechnen das Arkustangens-Werts eines Quotienten der Amplitude eines
ersten abgefragten Signals von dem Wandler und der Amplitude eines
zweiten abgefragten Signals von dem Wandler,
- Bestimmen der relativen Amplitude jedes der abgefragten Signale
und deren entsprechende Position oberhalb oder unterhalb einer Achse,
um die sie fluktuieren,
- sund Durchführen
einer mathematischen Berechnung zum Bestimmen der relativen Verschiebung des
ersten Bauteils gegenüber
dem zweiten Bauteil unter Verwendung des Arkustangens-Werts der
Amplitude der abgefragten Signale, der relativen Amplitude und deren
Positionen um die Achse, und einer Konstante,
- wobei die Konstante aus der Peak-Amplitude der Signale hinsichtlich
der Position und ebenfalls aus einer Kugelabmessung bestimmt wird.
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Vorzugsweise
wird bei dieser Ausführungsform
die Peak-Amplitude der Signale hinsichtlich der Position mit Kalibrations-Einstellwerten
bestimmt. Alternativ wird die Peak-Amplitude der Signale hinsichtlich
der Position, welche in der Konstante der mathematischen Berechnung
verwendet wird, durch Abfragen der Peak-Amplitude der Signale hinsichtlich
der Position über
eine Zeitspanne während
des Betriebs bestimmt.
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Vorteilhaft
wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform
die Amplitude der Signale hinsichtlich der Position oberhalb einer
Achse, um welche das Signal fluktuiert, mit der Amplitude des entsprechenden Signals
unterhalb der Achse verglichen und angepasst, um symmetrische Signale
mit im Wesentlichen gleichen Amplituden oberhalb und unterhalb der
Achse zu erzeugen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform,
bei der das Übertragungsmittel
eingerichtet ist, ein sich hinsichtlich der Zeit periodisch änderndes
Magnetfeld zu erzeugen, umfasst das Verfahren ein Abfragen der Signale
von den Sondenspulen im Wesentlichen in der Nähe ihrer Peak-Amplituden hinsichtlich der
Zeit. Alternativ kann das Abfragen der Signale überwacht und angepasst werden,
um im Wesentlichen in der Nähe
der Peak-Amplituden hinsichtlich der Zeit abzufragen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform,
welche wenigstens eine Gruppe von vier Sondenspulen umfasst, welche
neben der Reihe von Kugeln und in Abständen daran entlang angeordnet
sind, umfasst das Verfahren: Messen der Ungleichgewichte in dem ersten/dritten
und zweiten/vierten Paar von Signalen, und Verringern des Ungleichgewichts
zwischen dem jeweiligen Paar von Signalen.
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Alternativ
wird das Ungleichgewicht der abgefragten Signale dadurch verringert,
dass der Wandler versehen wird mit:
- wenigstens einer Gruppe
von vier Sondenspulen, welche neben der Reihe von Kugeln und in
Abständen
daran entlang angeordnet sind;
- und wenigstens einem Ungleichgewichts-Schaltkreis für jedes
Paar von ersten/dritten und zweiten/vierten Sondenspulen in der
Gruppe, wobei der Ungleichgewichts-Schaltkreis eingerichtet ist,
die Signale von den Sondenspulen zu empfangen und ein Potentiometer
umfasst, welches eingerichtet ist, analoge Signale von den Sondenspulen
zu empfangen und anzupassen, und einen Subtraktions-Schaltkreis;
- und umfassend die Schritte des Einrichtens der ersten Sondenspule
der Gruppe, zum Empfangen eines Signals niedrigerer Amplitude als
die dritte Sondenspule der Gruppe, und Einrichten der vierten Sondenspule
der Gruppe zum Empfangen eines Signals niedrigerer Amplitude als
die zweite Sondenspule der Gruppe,
- Erhöhen
der Amplitude des ersten Sondenspulen-Signals durch Verwendung des
Potentiometers des ersten/dritten Paares zum Addieren eines Anteils
der Amplitude des ersten Sondenspulen-Signals, und Verwenden des
Subtraktions-Schaltkreises zum Subtrahieren der Amplitude des dritten
Sondenspulen-Signals von dem erhöhten
ersten Sondensignal, um das erste Signal, welches in der mathematischen Berechnung
verwendet wird, bereitzustellen,
- und Erhöhen
der Amplitude des vierten Sondenspulen-Signals durch Verwendung
des Potentiometers des vierten/zweiten Paares zum Addieren eines
Anteils der Amplitude des vierten Sondenspulen-Signals, und Verwenden
des Subtraktions-Schaltkreises zum Subtrahieren der Amplitude des
zweiten Sondenspulen-Signals von dem erhöhten vierten Sondensignal,
um das zweite Signal, welches in der mathematischen Berechnung verwendet
wird, bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung berücksichtigt, dass
die durch die Sondenspulen erfasste Amplitude der Signale von dem
Abstand zwischen den Sondenspulen und dem Rand eines Zuges von magnetischen
Elementen abhängt,
der am nächsten
an den Sondenspulen ist. Daher kann durch Ändern der Abmessung des Zuges
von Elementen in einer Richtung senkrecht zu ihrer zentralen Achse
eine charakterstsche Beziehung zwischen der relativen Position der Sondenspulen
und des Zuges und der durch die Sondenspulen registrierten Signalamplitude
bestimmt werden. Daher ist die vorliegende Erfindung, im Gegensatz
zum Stand der Technik, nicht auf die Interpolation von elektrischen
Signalen angewiesen, sondern bestimmt die Position aus einer mathematischen
Berechnung, welche die charakteristische Beziehung zwischen der
Signalamplitude und der Relativposition des Zuges und der Sondenspulen
definiert. Daher kann die Erfindung eine genaue Auflösung in
der Größenordnung
von 1 μm
oder weniger bereitstellen.
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Wenn
eine Stromstärke,
die sich mit der Zeit ändert
(z. B. ein sinusförmiges
Signal) verwendet wird, um das Magnetfeld durch den Zug von Elementen
zu induzieren, ist die Amplitude des von den Sondenspulen registrierten
Signals selbstverständlich davon
abhängig
wann, in der Zeit, eine Abfrage zum Bestimmen der Position unternommen
wird. Daher wird es für
jede Abfragefrequenz eine charakteristische Beziehung zwischen Position
und Signalamplitude geben.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es weiterhin, dass der Positionsdetektor die Umwandlung der Signale
in Positionsinformation einmal oder mehr als einmal pro Betriebszyklus
durchführt
und daher wird die Auflösung
der vorliegenden Erfindung nicht nur durch die Betriebsfrequenz
vorgegeben.
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Zusätzlich kann
der Positionsdetektor ohne das Einschreiten einer qualifizierten
Bedienperson unter Verwendung eines automatischen Prozesses kalibriert
werden und kann sich weiterhin selber anpassen, um Fluktuationen
des Signals während
des Betriebs zu berücksichtigen.
Ferner können
die Positionsdetektoren der vorliegenden Erfindung eine Anzeige
bereitstellen, wenn das Gerät
selbst nicht die Nachkalibration während des Betriebs durchführen kann
und daher menschliches Einschreiten erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun detailliert mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
perspektivische Zeichnung eines Verlagerungs- oder Positionsdetektors
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
schematische Darstellung der Anordnung von Übertragungs- und Sondenspulen, und
von magnetischen Kugeln ist, welche bei einer in 1 gezeigten
Anordnung verwendet werden;
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3 ein
Blockdiagramm ist, das die Schaltung/Vorrichtung illustriert, die
zum Verarbeiten des Signals von drei Detektoren des Standes der
Technik verwendet wird, einen für
jede der drei Achsen X, Y und Z;
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4a illustriert,
wie die von den Sondenspulen von 2 empfangenen
Signale sich mit der Position entlang einer Kugel der Abmessung
P ändern;
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4b illustriert,
wie die empfangenen Signale bei der vorliegenden Erfindung verarbeitet
und interpretiert werden;
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5 illustriert,
wie beim Stand der Technik eine Verlagerung berechnet wird;
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6 ein
Blockdiagramm ist, welches die Schaltung/Vorrichtung illustriert,
die bei der vorliegenden Erfindung zum Verarbeiten des Signals verwendet
wird.
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1 illustriert
einen Detektor, welcher dafür geeignet
ist, mit einer Werkzeugmaschine verwendet zu werden, um ein Signal
bereitzustellen, welches mit einer Verlagerung periodisch ist, und
vom in der GB 1513567 offenbarten Typ ist und weiterhin der Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist. Wie ersichtlich ist, umfasst das
Gerät oder
der Detektor 1 eine Skalierung 9 und ein Gehäuse 10.
Die Skalierung 9 ist fest an einem ersten Bauteil 50 der
Werkzeugmaschine angebracht (direkt oder indirekt), während das Gehäuse 10 fest
an einem (nicht gezeigten) zweiten Bauteil der Werkzeugmaschine
angebracht ist (direkt oder indirekt). Der Detektor 1 misst
die relative Verlagerung zwischen diesen beiden Bauteilen. Als ein Beispiel
kann das erste Bauteil Teil einer Werkzeugmaschine sein, während das
zweite Bauteil Teil des bearbeiteten Werkstücks sein kann.
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Bei
dieser Anordnung ist die Skalierung 9 aus einem Rohr 4 aus
nicht-magnetischem
Material gebildet mit magnetischen Kugeln 2 darin linear
angeordnet. Die Skalierung 9 wird durch Skalierungshalterungen 3a und 3b in
einer festen Beziehung zum ersten Bauteil 50 gehalten.
Die Kugeln 2 sind im Wesentlichen sphärische identische Stahlkugeln,
welche nebeneinander in Punktberührung
miteinander in einer geraden Linie angeordnet sind, welche parallel zu
der Richtung der Relativbewegung zwischen der Skalierung 9 und
dem Gehäuse 10 liegt.
Die Kugeln werden gegen Relativbewegung gegeneinander gehalten.
Innerhalb des Gehäuses 10 sind Übertragungs- 7 und
Sondenspulen 6 vorgesehen (siehe 2).
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Wie
in 1 gezeigt, ist die Skalierung 9 so eingerichtet,
dass sie in eine rohrförmige Öffnung passt,
welche durch das Gehäuse 10 vorgesehen
ist. Um zu vermeiden, dass Dreck in das Gehäuse 10 eindringt ist
eine Dichtung 5 an jedem Ende der rohrförmigen Öffnung innerhalb des Gehäuses vorgesehen.
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2 illustriert
die Anordnung von Übertragungsspule 7 und
Sondenspulen 6 innerhalb des Gehäuses 10. Wie gezeigt
ist die Übertragungsspule 7 und
eine Anzahl von Sondenspulen 6 (6a, 6b, 6c, 6d) um
die Kugeln 2 angeordnet. Die Übertragungsspule 7 und
die Sondenspulen 6 sind koaxial miteinander und ebenfalls
koaxial mit einer Linie 8 angeordnet, welche die Mittelpunkte
der Kugeln verbindet. Die Kugeln 2 und die Spulen 6 und 7 sind in
einer Richtung parallel zur Linie 8 relativ zueinander
bewegbar.
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Die Übertragungsspule 7 umfasst
eine Anzahl von Übertragungsspulenabschnitten 7', welche in
Reihe verbunden sind. Jedem Übertragungsspulenabschnitt 7' ist ein Sondenspulenabschnitt
zugeordnet, zum Beispiel 6a1, 6b1, 6c1 oder 6d1.
Jede Sondenspule, zum Beispiel 6a, umfasst eine Anzahl von
Sondenspulenabschnitten, zum Beispiel 6a1, 6a2, 6a3,
welche in Reihe miteinander verbunden sind, und in Abständen von
Länge oder
Abmessung P angeordnet sind, welche dem Durchmesser der Kugeln 2 entsprechen.
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3 ist
ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung des Standes der Technik,
welche in Verbindung mit dem in 1 gezeigten
Detektor verwendet wird. Diese Schaltung umfasst einen Hauptprozessor 20,
welcher üblicherweise
ein 80C31 Prozessor ist. Dem Hauptprozessor 20 ist ein
permanenter Direktzugriffsspeicher (Random Access Memory, RAM) 23 zugeordnet
mit einer zugeordneten Batterie 41, welche während eines
Ausfalls der Netzstromversorgung Strom bereitstellt. Dieser permanente
Speicher 23 enthält
die gemessenen Verlagerungsdaten. Ein programmierbarer Festwertspeicher
(Read Only Memory, ROM) 22 ist ebenfalls zum Betrieb des Hauptprozessors 20 vorgesehen.
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Ein
Tastatur-/Anzeigeprozessor 24 ist mit dem Hauptprozessor 20 seriell
verbunden und dieser Tastatur-/Anzeigeprozessor 24 ist
mit einer Anzeige 25 und einer Tastatur 26 verbunden
und steuert die Eingabe und Ausgabe von Tastatur- und Anzeigedaten
zum Hauptprozessor 20.
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Ein
RS232-Anschluss 27 ist für eine Verbindung mit externen
Einrichtungen, wie beispielsweise einem Computer, vorgesehen und
ist mit dem Hauptprozessor 20 seriell verbunden. Zusätzlich zur
Anzeige 25 gibt es eine Anzeige 28 zum Anzeigen
der gemessenen Verlagerung in Inch oder Millimeter.
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Der
Hauptprozessor 20 ist mit einem 10,16 MHz Taktsignal von
einem Oszil lator 21 versehen. Eine Ausgabe des Oszillators 21 wird
ebenfalls zu einer Teilerschaltung 29 ausgegeben, welche
ein 5,08 MHz Taktsignal an einen Bitzähler 30 und einen
weiteren Teiler 31 bereitstellt. Der Teiler 31 teilt
das 5,08 MHz Taktsignal durch 5080, um ein 1 kHz Signal zu einem
Sinuswellengenerator 32 und zu drei Signalkonditionierungseinheiten 33, 34,
und 35 jeweils für die
X, Y und Z-Achsen bereitzustellen (wobei ein Verlagerungsdetektor 36, 37 und 38 für jede Achse
vorgesehen ist). Die Ausgabe des Sinuswellengenerators 32 wird
auch zu jeder der Signalkonditionierungseinheiten 33, 34 und 35 eingegeben.
Die Signalkonditionierungseinheiten 33, 34 und 35 sind
direkt mit jeweiligen Detektoren 36, 37 und 38 verbunden.
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Von
den Detektoren 36, 37 und 38 ausgegebene
Signale werden in die jeweiligen einzelnen Konditionierungseinheiten 33, 34,
und 35 eingegeben und dieses Signal wird verwendet, um
den Bitzähler 30 anzuhalten.
Der Startimpuls für
den Bitzähler 30 ist
die Ausgabe des Teilers 31. Die Ausgabe des Bitzählers 30 wird
dann in den Hauptprozessor 20 eingegeben.
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Der
Hauptprozessor 20 ist ebenfalls mit einer Stromversorgung 39 und
einer Rücksetzeinrichtung 40 versehen.
Eine Achsenauswahlleitung 42 ist vorgesehen, welche den
Hauptprozessor 20 mit jeder Signalkonditionierungseinheit 36, 37 und 38 verbindet,
um zu ermöglichen,
dass der Hauptprozessor die Achse auswählen kann, für die die
Verlagerung gemessen wird. Daher kann die Anordnung drei zueinander
jeweils senkrecht angeordnete Detektoren steuern.
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Der
Betrieb der in 3 gezeigten Schaltung des Standes
der Technik wird nun kurz beschrieben. Der Oszillator 21 stellt
ein 10,16 MHz Taktsignal bereit, welches zur Eingabe in den Bitzähler 30 in
ein 5,08 MHz Taktsignal geteilt wird. Das 5,08 MHz Signal wird vom
Teiler 31 weiter geteilt, um einen 1 kHz Referenzimpuls
für die
Signalkonditionierungseinheiten 33, 34 und 35 und
als einen Startimpuls für
den Bitzähler
bereitzustellen. Das 1 kHz Taktsignal wird dann zum Treiben eines
Sinuswellengenerators 32 verwendet.
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Jede
der Signalkonditionierungseinheiten 33, 34 und 35 gibt
ein sinusförmiges
1 kHz Signal aus, welches an jeweilige Übertragungsspulen 7 angelegt
wird. Daher wird jeder Übertragungsspule 7 ein
Signal zugeführt,
welches ein zur Linie 8 in 2 paralleles
Magnetfeld erzeugt. Die Änderung
im Magnetfeld, welche zu einer axialen Relativbewegung zwischen
den Kugeln 2 und dem Gehäuse 10 führt, erzeugt
entsprechende Änderungen
in den in jeder der Sondenspulen 6a, 6b, 6c und 6d induzierten
Signalen.
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Der
obere Teil von 4a illustriert die sich ändernde
Amplitude von Ausgaben A, B, C und D mit der Position des Signals
entlang einer Kugel von Abmessung P, das jeweils von den Sondenspulen 6a, 6b, 6c und 6d ausgegeben
ist. 4b wird später
im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Aus 4a ist
ersichtlich, dass jedes der Signale A, B, C und D eine Amplitude
aufweist, welche sich mit einer Verlagerung sinusförmig ändert, dessen
Periode P ist und dem Durchmesser der Kugeln 2 entspricht.
Zusätzlich
fluktuieren die Sinuswellen A, B, C, D nicht um die Nullamplitude,
d.h. sie sind von Null versetzt. Üblicherweise betragen die Fluktuationen
nur 6% des Offsets.
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Jedes
der Signale A, B, C und D sind eine viertel Abmessung außer Phase.
Dies liegt daran. dass die Sondenspulen 6a, 6b, 6c und 6d jede
in einem Abstand von einem Viertel einer Kugelabmessung P voneinander
angeordnet sind. Ein (nicht gezeigter) Signalprozessor innerhalb
der jeweiligen Detektoren 36, 37 und 38 subtrahiert
Signal C von Signal A und Signal B von Signal D um die periodischen Wellenformen
A–C und
D–B bereitzustellen,
die im unteren Teil von 4a gezeigt
sind. Diese Wellenformen repräsentieren
einen Wert der 1 kHz Signalfrequenz. Dieser Signalprozessor verzögert dann
die Phase des Signals A–C
um 45° des
1 kHz Signals und beschleunigt die Phase des D–B Signals um 45° des 1 kHz
Signals.
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Die
Signale A–C
und DB werden dann addiert, um ein phasenmoduliertes Signal bereitzustellen,
welches für
praktische Zwecke bevorzugt wird. Das resultierende Signal ist eine
sinusförmige
Wellenform mit konstanter Amplitude, wobei die Phase direkt proportional
zur relativen Verlagerung durch die Relativbewegung der Skalierung 9 und
des Gehäuses 10 (und
damit dem ersten und dem zweiten Bauteil der Werkzeugmaschine) ist.
Dieses Signal wird von den Detektoren 36, 37 und 38 an
jeweilige Signalkonditionierungseinheiten 33, 34 und 35 ausgegeben.
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Die
Signalkonditionierungseinheiten 33, 34 und 35 geben
einen Achsenbitimpuls aus, wenn bestimmt ist, dass die Phase des
resultierenden Signals bei einem vorbestimmten Wert, wie beispielsweise 0°, ist. Der
Achsenbitimpuls wird dann zum Anhalten des Zählers 30 verwendet,
welcher durch einen Impuls vom Teiler 31 gestartet wurde.
Das Signal vom Teiler 31 ist ein Impuls bei 1 kHz, welches
die Eingabe zum Generator 32 ist. Daher stellt der Bitzähler 30 einen
Zählwert
bereit, welcher direkt proportional zur Phasendifferenz zwischen
dem vom Sinuswellengenerator erzeugten 1 kHz Referenzsignal und
dem resultierenden Signal ist, das nach der Phasenverschiebungsaddition
in den Signalkonditionierungseinheiten 33, 34 und 35 gebildet
ist.
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5 illustriert,
wie vom Hauptprozessor 20 des Standes der Technik eine
relative Verlagerung berechnet wird. Die Ausgabe des Bitzählers 30 stellt einen
Bitzählwert
bereit, welcher durch eine Sägezahn-Wellenform
repräsentiert
werden kann, die sich wie in 5a mit
der Verlagerung ändert.
Der Bitzählwert
ist ein Wert zwischen 0 und 5079 und repräsentiert eine Verlagerung von
0 bis 12,7 mm, wenn die Kugeln 2 einen Durchmesser von ½ Inch
oder 12,7 mm aufweisen. Jedes Bit repräsentiert daher 0,0025 mm. Da
der Bitzähler
allerdings nach einer Bewegung von 12,7 mm auf 0 zurückgesetzt
wird, muss der Hauptprozessor 20 jeden Bitzähl-Übergang zählen, was
als ein Abmessungszählwert
bezeichnet wird und 12,7 mm relative Verlagerung repräsentiert (5b).
Jede Veriagerung von 12,7 mm repräsentiert ein Inkrement im Abmessungszählwert.
Zusätzlich
zu den Bit- und
Abmessungszählwerten
gibt es einen Offset, welcher eine Position re lativ zu einem gewählten Bezugspunkt
gibt, und welcher in diesem Fall einen Wert zwischen 0 und –12,7 annimmt (5c).
Daher ist die gesamte relative Verlagerung zwischen dem ersten und
dem zweiten Bauteil gegeben durch: Rel. Verl.
[mm] = (Bit 0,0025) + (Abmessung × 12,7) + Offset
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Daher
ist es bei Verwendung dieser Methode möglich, eine relative Verlagerung
zwischen der Skalierung 9 und dem Gehäuse 10 zu messen,
indem die Anzahl von Perioden der periodischen Wellenform für den Detektor 1 gezählt werden.
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Wie
oben erläutert,
weisen diese Geräte
allerdings eine begrenzte Auflösung
auf und können keine
automatische Kalibration oder Selbstdiagnose durchführen. Zusätzlich erzeugen
diese Positionsdetektoren des Standes der Technik nicht normgerechte
Signale, welche zum Dekodieren der Signale, und damit zum Bereitstellen
der Positionsinformation, vom OEM-Hersteller entwickelte Ausrüstung benötigen.
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Im
Gegensatz dazu stellt die vorliegende Erfindung Positionsdetektoren
bereit, welche eine automatische Kalibration und Selbstdiagnose
durchführen
können,
eine hohe Auflösung
aufweisen, und welche weiterhin Industrienormsignale erzeugen, welche
durch kommerziell erhältliche
Ausrüstung
dekodiert werden können.
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6 ist
ein Blockdiagramm der zur Signalverarbeitung bei der vorliegenden
Erfindung verwendeten Schaltung. Die Spulenanordnung 100,
welche die Übertragungs-
und Sondenspulen umfasst, wurde zur Übersichtlichkeit in einer vereinfachten
Form dargestellt und ist wie oben beschrieben aufgebaut. Die Schaltung
ist nur zum Erfassen einer Verlagerung entlang einer einzigen Bewegungsachse
gezeigt.
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Die
(nicht gezeigte) Übertragungsspule
innerhalb der Spulenanordnung 100 wird von einem Verstärker 200 bei
10 kHz angetrieben. Die Signale A, B, C und D sind wie vorangehend,
wobei beispielsweise C von A subtrahiert wird, um das Signal A–C zu erzeugen,
und B von D subtrahiert wird, um D–B zu erzeugen, wie vorangehend
beschrieben und in 4a illustriert.
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Es
ist in der Praxis sehr schwierig, die Spulenanordnung 100 so
herzustellen, dass die A und C Signale exakt im Gleichgewicht sind,
d.h. so dass das A Signal genau die gleiche Amplitude aufweist wie das
C Signal an der P/2-Position. Daher wird ein Ungleichgewichts-Schaltkreis
wie unten beschrieben benötigt.
Wenn die analogen Signale erst zu digitalen Signalen gewandelt werden
und dann dem Prozessor 500 eingegeben werden, könnte der
Prozessor 500 selbstverständlich selbst so eingerichtet
werden, dass er die unten beschriebene Manipulation der Signale
durchführt
und daher den Ungleichgewichts-Schaltkreis ersetzt.
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Um
dieses Ungleichgewicht zu berücksichtigen,
ist die Anordnung 100 physikalisch so angeordnet, dass
das induzierte Signal A kleiner ist als C. Dann wird ein kleiner
Anteil von A, kA, am Additionspunkt 300 addiert ( 6)
und erzeugt daher das Ergebnis A(1+k)–C. Der Bruchteil kA wird unter
Verwendung eines digital gesteuerten Potentiometers 400 erzeugt.
Dies wird durch eine serielle Verbindung vom Hauptprozessor 500 gesetzt.
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Auf ähnliche
Art werden die Signale D und B am Additionspunkt 600 kombiniert,
um das Ergebnis D(1+k')–B zu erzeugen.
In diesem wird der Bruchteil k'D
unter Verwendung eines digital gesteuerten Potentiometers 700 erzeugt.
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Diese
Signale werden durch Verstärker 800 und 900 verstärkt und
von den Analog-Digital-Wandlern 155 und 110 digitalisiert,
und werden dann vom Prozessor 500 über die seriellen Verbindungen 156 gelesen.
Der Prozessor 500 verwendet diese digitalisierten Werte,
um die Relativposition der Spulenanordnung 100 hinsichtlich
der Kugeln 2 zu berechnen.
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Wie
in 4a gezeigt, nimmt das idealisierte Signal A–C die Form
einer Sinuswelle an und ist durch Msin(2πd/P) definiert, wobei d die
tatsächliche Verlagerung
der Anordnung entlang der Kugelabmessung P ist und M die maximale
Amplitude des Signals A–C
repräsentiert. Ähnlich nimmt
das idealisierte Signal D–B
die Form M'cos(2πd/P), wobei
M' die maximale
Amplitude des Signals D–B
repräsentiert.
Das Verhältnis
des ersten zum zweiten dieser beiden Signale, d.h. das Verhältnis von
(A–C)/(D–B) ist
M/M'tan (2πd/P). Daher
ist es, wenn der Wert des Verhältnisses
M/M' ebenfalls bekannt
ist, möglich, den
Wert der Verlagerung d zu einem gegebenen Zeitpunkt zu berechnen
unter Verwendung der arctan Funktion und dem Wert der Amplitude
der Signale A–C
und D–B
zu dem gegebenen Zeitpunkt, unter Verwendung der folgenden Gleichung:
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Unter
Bezug zurück
auf 4a ist der Wert das D–B Signals nahe an den P/4
und 3P/4 Positionen niedrig und tendiert zu Null. Der Wert des Verhältnisses
(A–C)/(D–B) ist
dadurch sehr hoch. Wenn das Verhältnis
(A–C)/(D–B) eine
größere Amplitude als
eins aufweist, ist es zweckmäßiger, das
Verhältnis (D–B)/(A–C) zu verwenden.
Dies liegt daran, dass der Algorithmus zum Berechnen das Arkustangens eines
Werts im Bereich zwischen –1
und 1 eine einfache Taylorreihe ist.
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Wenn
das algebraische Vorzeichen der Verhältnisses ignoriert wird, liegt
der Wert zwischen Null und Eins und der Arkustangens ist im Bereich
von 0 bis π/4.
Dies wird in 4b durch die durchgezogene Linie
gezeigt, welche das Ergebnis der Arkustangens-Umwandlung des Verhältnisses über den
Bereich einer Kugelabmessung repräsentiert; d.h. den Wert von
arctan(N/D), wobei D der größere Wert
von (A–C)
oder (D–B)
ist und N der kleinere ist.
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Durch
Auswertung der Vorzeichen der Signale A–C und D–B kann der Quadrant 0 bis
P/4, P/4 bis P/2, P/2 bis 3P/4 oder 3P/4 bis P bestimmt werden.
Zum Beispiel ist, wie in 4a gezeigt,
A–C positiv
und D–B
negativ im Quadranten P/4 bis P/2, während die Signale A-C und D–B im Quadranten
0 bis P/4 beide positiv sind. Daher können die Quadranten unterschieden
werden.
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Zusätzlich ist
es durch Auswertung der relativen Amplituden der Signale A-C und
D–B möglich zu
bestimmen, in welcher Hälfte
jedes Quadranten die Sondenspulen 6 positioniert sind.
Zum Beispiel ist, wie in 4a gezeigt,
in der ersten Hälfte
des Quadranten 0 bis P/4 die Amplitude von D–B größer als A-C, was in der zweiten Hälfte des
Quadranten 0 bis P/4 umgekehrt ist.
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Diese
Information wird zusammen mit dem Arkustangenswert kombiniert, um
einen einzigartigen Wert für
die Position der Spulenanordnung 100 (und damit des zweiten
Bauteils) in einer Kugelabmessung zu geben. Dies wird durch die
gestrichelte Linie in 4b illustriert.
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Die
Signale A–C
und D–B
werden wenigstens einmal pro Zyklus abgefragt, mit einer Rate von 10000
Abfragen pro Sekunde bei einem 10 kHz System (verglichen mit 1000
pro Sekunde bei dem 1 kHz System des Standes der Technik). Obwohl
Abfragen an fast jedem Punkt im Zyklus durchgeführt werden können, außer an Nulldurchgängen, werden
die Abfragen Idealerweise an einem Peak (positiv oder negativ) in
jedem Zyklus durchgeführt,
um das maximale Signal zu erhalten. Zusätzlich ist das oben beschriebene
Umwandlungsverfahren selbstverständlich
nur gültig,
wenn die Abfragen der Signale A–C und
D–B gleichzeitig
durchgeführt
werden.
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Nach
jeder Abfrage wird die oben beschriebene Umwandlung durchgeführt, um
eine Position innerhalb einer Kugelabmessung zu geben. Dies wird mit
der vorigen Position verglichen, um den Betrag der Bewegung zu bestimmen,
und die Positionsänderung
wird ausgegeben, bevor die nächste
Abfrage durchgeführt
wird. Die inkrementelle Änderung
der Position wird gemessen. Im Gegensatz zu den Geräten des
Standes der Techrnik gibt es keine Entsprechung zum Abmessungszählwert,
obwohl ein Offset auch in das System eingebaut werden kann.
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Damit
die gemessene inkrementelle Änderung
der Position korrekt ist, wird angenommen, dass die maximale Bewegung
zwischen Umwandlungen weniger als P/2 ist. Diese Annahme ermöglicht es, den
Betrag der Bewegung ohne die Notwendigkeit für eine Entsprechung zum Abmessungszählwert zu
bestimmen. Wenn der Positionsdetektor zum Beispiel von der ersten
Abfrage registriert, dass die Position bei 7P/8 ist (siehe 4b)
und dann, von der zweiten Abfrage, registriert, dass die Position
P/8 ist, ist die einzige Art und Weise, auf die diese Änderung
erfolgt sein kann, ohne dass die Bewegung mehr als P/2 beträgt, dass
sich der Positionsdetektor zu einer anderen angrenzenden Kugel bewegt
hat, und nicht zurück
entlang derselben Kugel. Für
die meisten praktischen Umstände
ist die Annahme völlig
zulässig.
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Die
Rate, mit der Signale umgewandelt werden, begrenzt die maximale
Geschwindigkeit oder Auflösung,
bei der der Positionsdetektor funktionieren kann. Beim Stand der
Technik ist die Umwandlungsrate nur durch die Betriebsfrequenz vorgegeben
und ist im Allgemeinen einmal pro Millisekunde (einmal pro Zyklus).
Dies ergibt, für
einen Positionsdetektor mit einer Kugelabmessung von 12,7 mm, eine
maximal mögliche
Maschinengeschwindigkeit von 6,35 m/s (bestimmt aus (P/2) × Frequenz).
Die Umwandlungsmethode der vorliegenden Erfindung wird nicht nur
durch die Betriebsfrequenz vorgegeben und kann mehrmals pro Zyklus
erfolgen, und ist daher für
Maschinen mit Geschwindigkeiten bis zu 63,5 m/s geeignet. Die praktische
Maximalgeschwindigkeit kann allerdings durch die Rate, mit der die
Daten übertragen
werden können,
begrenzt sein.
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Eine
Kalibration des Systems der vorliegenden Erfindung, d.h. ein Minimieren
von Positionsfehlern wegen nicht-idealer Signale, kann durch eine Kombination
der folgenden Prozesse erreicht werden. Erst werden die Abfragepunkte
innerhalb eines (10 kHz) Zyklus so gesetzt, dass sie mit Peaks in
den Wellenformen übereinstimmen.
Zweitens werden dann die Ungleichgewichte in den A zu C und D zu
B Signalen gemessen und unter Verwendung der digitalen Potentiometern
400 und 700 wie oben beschrieben verringert. Drittens wird die Differenz
in den Maximalamplituden M und M' der
Signale A–C
und D–B gemessen
und bei der Umwandlung ein Konekturfaktor angewandt. Schließlich wird
die berechnete Position gegen eine bekannte Standardverlagerung
geprüft.
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Es
ist möglich,
die ersten drei Prozesse durchzuführen, ohne Bezug auf eine Standardverlagerung
zu nehmen. Die Abfragepunkte könnten
neu positioniert werden, wenn sie sich nicht an einem Peak-Punkt
befinden. Die digitalen Potentiometer werden so eingestellt, dass
sie symmetrische A–C und
D–B Signale
erzeugen, d.h. mit gleichen Amplituden der positiven und der negativen
Maxima. Die M und M' Pegel
sind die gemessenen Peakwerte der A–C und D–B Signale. Wenn das System
ausgelegt ist, diese Signalpegel kontinuierlich zu überwachen, dann
ist es möglich,
Korrekturen kontinuierlich durchzuführen, obwohl die Zeit, die
zum Ausführen
benötigt
wird, berücksichtigt
werden muss. Das Ziel derartiger Korrekturen wäre es, die Kalibration, d.h.
die Fehlerkorrektur, zurück
zu den Bedingungen zu bringen, die zur Zeit der ursprünglichen
Kalibration vorlagen. Durch ein derartiges Verfahren können die
Folgen einer Verschiebung wegen Temperatur, Zeit, Betriebsfrequenz
oder anderen Faktoren stark verringert werden.
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Gemessene
Fehler können
entweder a) gespeichert sein und kontinuierlich zum Korrigieren
der berechneten Positionen angewandt werden, oder, b) ein mathematischer
Ausdruck kann bestimmt werden, um die Fehler näherungsweise zu beschreiben und
zu korrigieren.
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Mit
Bezug auf das Blockdiagramm in 6 ist das
Programm für
den Prozessor 500 in einem nichtflüchtigen Speicher 120 gespeichert.
Kalibrationsdaten sind ebenfalls in diesem Speicher gespeichert.
Der Speicher ist ein elektrisch löschbarer, reprogrammierbarer
Festwertspeicher (EEPROM).
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Die
Positionsdaten werden vom Prozessor 500 an Leitungstreiber 130 ausgegeben.
Die Ausgabedaten werden normalerweise in der Form von 90° phasenverschobenen
A, B Impulsen vorliegen. Dies ist ein Industrienorm-2- Bit-Gray-Code für die Übertragung
von inkrementellen Positionsdaten. Jede Änderung des Zustands der Ausgabeleitungen
repräsentiert
eine Positionsänderung
einer Auflösungseinheit,
d.h. 1 μm,
2 μm, 5 μm oder 10 μm. Die Richtung wird
durch die Reihenfolge bestimmt, in der sich die Leitungen ändern. Andere
Datenformate sind selbstverständlich
ebenfalls möglich.
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Daten
können
in den Prozessor 500 durch Leitungsempfänger 140 eingegeben
werden. Dies ist während
des Kalibrationsprozesses notwendig, und um das Prozessorprogramm
und andere Informationen, z. B. Auflösung, herunterzuladen. Diese
Daten werden an den Speicher 120 zum Speichern übertragen.
Die Leitungstreiber 130 und -empfänger 140 sind niemals
gleichzeitig an, da sie gemeinsame Leitungen teilen. Ein Start-Lade-Logikblock 150 steuert, ob
Daten eingegeben oder ausgegeben werden. Wenn an den Wandler zum
ersten Mal Strom angelegt wird, wird eine Eingabeleitung durch den Start-Lade-Logikblock
abgefragt, um zu bestimmen, ob ein Programmier-/Kalibrationsgerät, z. B.
ein Computer, verbunden ist. Wenn dem so ist, werden die Empfänger 140 aktiviert
und Daten werden heruntergeladen. Wenn kein Programmier-/Kalibrationsgerät detektiert
wird, wird das Programm im Speicher 120 geladen und gestartet,
d.h. normaler Betrieb.
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Die
Stromversorgungen 160, die Einschalt-Rücksetzschaltung 170 und
der Taktgenerator 180 unterstützen den Betrieb der anderen
Schaltungen.
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Der
Prozessor 500 erzeugt ebenfalls digitale Daten, die eine
Sinuswelle mit der Spulentreibfrequenz 10 kHz beschreiben. Diese
Daten werden seriell an einen Digital-Analogwandler 190 übertragen, welcher
dann das Eingabesignal an den Spulentreiberverstärker 200 bereitstellt.
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Die
Erfindung kann modifiziert werden, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. Zum Beispiel kann der Zug von magnetischen Kugeln
in der Skalierung 9 durch eine Anzahl von aufeinanderfolgend
angeordneten magnetischen Scheiben mit unterschiedlichen Durchmessern
ersetzt werden. Diese Scheiben können
eine Auswahl von Dicken aufweisen und flache oder geneigte Ränder am
nächsten an
den Sondenspulen aufweisen. Kugellager haben aber den deutlichen
Vorteil, dass sie einfach mit hoher Abmessungstoleranz herzustellen
sind und daher kostengünstig
sind.
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Zusammengefasst
stellt die Erfindung einen Positionsdetektor bereit, dessen Auflösung nicht
nur durch die Betriebsfrequenz vorgegeben wird, und der daher Positionsinformationen
mehrmals pro Betriebszyklus bereitstellen kann. Zusätzlich stellt
die Erfindung einen Positionsdetektor bereit, welcher durch Verwendung
eines automatischen Prozesses kalibriert werden kann, ohne das Eingreifen
einer qualifizierten Bedienperson. Ferner kann sich der Positionsdetektor
selbst anpassen, um Fluktuationen des Signals bei Betrieb zu berücksichtigen,
und kann weiterhin eine Anzeige bereitstellen, wenn das Gerät selbst
nicht die Nachkalibration während
des Betriebs durchführen
kann und daher menschliches Eingreifen erforderlich ist. Weiterhin
erzeugen die Positionsdetektoren Industrienormsignale, welche nicht
auf vom OEM-Hersteller
entwickelte Ausrüstung
zum Dekodieren der Signale, und daher zum Bereitstellen der Positionsinformation,
angewiesen sind.
