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DE102008018355B4 - Absolute position measuring device with interpolator - Google Patents

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DE102008018355B4
DE102008018355B4 DE102008018355.5A DE102008018355A DE102008018355B4 DE 102008018355 B4 DE102008018355 B4 DE 102008018355B4 DE 102008018355 A DE102008018355 A DE 102008018355A DE 102008018355 B4 DE102008018355 B4 DE 102008018355B4
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interpolator
position measuring
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Positionsmessvorrichtung (10) mit einer Maßverkörperung (11) und einem gegenüber der Maßverkörperung (11) beweglichen Abtastkopf (13) zur Abtastung der Maßverkörperung (11), wobei die Maßverkörperung (11) eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten, pseudozufälligen zweiwertigen Markierungen (12) mit einer konstanten Messteilung (t) aufweist, wobei in dem Abtastkopf (13) mehrere Sensoren (30) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass sie in einer Stellung der Positionsmessvorrichtung (10) mehrere zweiwertige Markierungen (12) abtasten können, wobei die Sensoren (30) Abtastsignale (52) ausgeben können, die sich bei einer Stellungsänderung der Positionsmessvorrichtung (10) kontinuierlich verändern, wobei die Abtastsignale einem Absolutdecoder (31) zum Ermitteln einer Absolutposition (51) bezüglich der Messteilung (t) und einem Interpolator (32) zum Ermitteln einer relativen Zwischenposition (50) bezüglicher Messteilung (t) zuführbar sind, wobei wenigstens ein Abtastsignal (52) wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder (51) als auch dem Interpolator (32) zuführbar ist, wobei der Abstand s der Sensoren (30) von der Messteilung t abweicht, wobei die Bedingung n * s ≥ m * t erfüllt ist, wobei n die Anzahl der Sensoren und m die Codebreite des pseudozufälligen Codes ist und wobei n > m gilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung n = m + 1 gilt.Position measuring device (10) with a material measure (11) and a scanning head (13) movable relative to the material measure (11) for scanning the material measure (11), the material measure (11) comprising a large number of pseudo-random two-valued markings (12 ) with a constant measuring graduation (t), in which a plurality of sensors (30) are provided in the scanning head (13), which are arranged such that they can scan a plurality of two-valued markings (12) in one position of the position measuring device (10), whereby the sensors (30) can output scanning signals (52) which change continuously when the position of the position measuring device (10) changes, the scanning signals being transmitted to an absolute decoder (31) for determining an absolute position (51) with respect to the measuring graduation (t) and an interpolator ( 32) for determining a relative intermediate position (50) with respect to the measuring division (t), at least one scanning signal (52) being able to be supplied at least indirectly both the absolute decoder (51) and the interpolator (32) can be fed, the distance s of the sensors (30) deviating from the measuring pitch t, the condition n * s ≥ m * t being fulfilled, where n is the number of the sensors and m is the code width of the pseudo-random code and where n> m applies, characterized in that the condition n = m + 1 applies.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a position measuring device according to the preamble of claim 1.

Aus der DE 102 34 744 A1 ist eine Positionsmessvorrichtung bekannt. Gemäß der dortigen 4 ist eine Maßverkörperung 10 vorgesehen, die von einem Abtastkopf abgetastet wird. Die Maßverkörperung umfasst eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Markierungen in Form von magnetischen Nord- und Südpolen, so dass jede Markierung zwei mögliche Werte annehmen kann. Die Nord- und Südpole sind mit einer konstanten Messteilung pseudozufällig verteilt angeordnet, d. h. dem Bitcode einer vorgegebenen Anzahl von nebeneinander angeordneten Markierungen ist eine eindeutige absolute Position des Abtastkopfes gegenüber der Maßverkörperung zugeordnet. In dem Abtastkopf sind mehrere Sensoren SC0 bis SC9 und SF0 bis SF6 vorgesehen, die so angeordnet sind, dass sie in einer Stellung der Positionsmessvorrichtungen mehrere zweiwertige Markierungen gleichzeitig abtasten können. Die genannten Sensoren sind als Hall-Sensoren ausgeführt, dementsprechend ändern sich deren Abtastsignale kontinuierlich, wenn die Positionsmessvorrichtung ihre Stellung ändert. Die Abtastsignale der Sensoren SC0 bis SC9 werden einem Absolutdecoder 14; 16; 20 zugeführt, um eine Absolutposition bezüglich der Messteilung zu ermitteln. Weiter ist ein Interpolator 24; 26; 28 vorgesehen, der aus den Abtastsignalen der Sensoren SF0 bis SF5 eine Zwischenposition bezüglich der Messteilung ermittelt. Der aus der Absolut- und der Zwischenposition zusammen gesetzte Gesamtpositionswert ist folglich genauer als die Messteilung der Maßverkörperung.From the DE 102 34 744 A1 a position measuring device is known. According to the one there 4th is a material measure 10th provided, which is scanned by a scanning head. The measuring standard comprises a large number of markings arranged in a row in the form of magnetic north and south poles, so that each marking can have two possible values. The north and south poles are arranged in a pseudo-random distribution with a constant measuring division, ie a unique absolute position of the scanning head relative to the measuring standard is assigned to the bit code of a predetermined number of markings arranged next to one another. A plurality of sensors SC0 to SC9 and SF0 to SF6 are provided in the scanning head, which are arranged such that they can scan a plurality of two-valued markings simultaneously in one position of the position measuring devices. The sensors mentioned are designed as Hall sensors, and accordingly their scanning signals change continuously when the position measuring device changes its position. The scanning signals from sensors SC0 to SC9 become an absolute decoder 14 ; 16 ; 20 fed to determine an absolute position with respect to the measuring graduation. There is also an interpolator 24th ; 26 ; 28 provided that determines an intermediate position with respect to the measuring division from the scanning signals of the sensors SF0 to SF5. The total position value composed of the absolute and the intermediate position is consequently more precise than the measuring graduation of the measuring standard.

Aus der DE 10 2006 007 184 A1 ist eine weitere Positionsmessvorrichtung bekannt. Dort werden gegenüber der Codebreite des pseudozufällig verteilten Bitcodes doppelt so viele Sensoren verwendet. Die einzelnen Sensoren bilden zwei Gruppen, die um 180° phasenversetzt zueinander angeordnet sind. In jeder Stellung der Positionsmessvorrichtung hat zumindest eine dieser Gruppen eine für die Abtastung der Bitfolge günstige Stellung.From the DE 10 2006 007 184 A1 Another position measuring device is known. There, twice as many sensors are used compared to the code width of the pseudorandomly distributed bit code. The individual sensors form two groups that are 180 ° out of phase with each other. In each position of the position measuring device, at least one of these groups has a position which is favorable for scanning the bit sequence.

Der Nachteil dieser Positionsmessvorrichtungen besteht darin, dass sehr viele Sensoren für die Positionsermittlung erforderlich sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, die Anzahl der Sensoren zu verringern.The disadvantage of these position measuring devices is that a large number of sensors are required for determining the position. Accordingly, the object of the invention is to reduce the number of sensors.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Abtastsignal wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder als auch dem Interpolator zuführbar ist. Dementsprechend werden für den Absolutdecoder und den Interpolator nicht jeweils gesonderte Sensoren wie in der DE 102 34 744 A1 , sondern gemeinsame Sensoren verwendet. Folglich sind weniger Sensoren für die Positionsbestimmung erforderlich.To achieve this object, it is proposed that at least one scanning signal can be fed at least indirectly to both the absolute decoder and the interpolator. Accordingly, separate sensors are not used for the absolute decoder and the interpolator as in FIG DE 102 34 744 A1 but used common sensors. As a result, fewer sensors are required for position determination.

Eine besonders geringe Sensoranzahl ergibt sich, wenn alle Abtastsignale wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder als auch dem Interpolator zuführbar sind. Bei einer Anordnung der Sensoren wie in der DE 102 34 744 A1 gezeigt, bei der der Sensorabstand gleich der Messteilung ist, ergibt sich die erforderliche Sensoranzahl aus der Codebreite des pseudozufälligen Codes multipliziert mit zwei.A particularly small number of sensors results if all scanning signals can be fed at least indirectly to both the absolute decoder and the interpolator. If the sensors are arranged as in the DE 102 34 744 A1 shown, in which the sensor distance is equal to the measuring pitch, the required number of sensors results from the code width of the pseudo-random code multiplied by two.

Der Abstand s der Sensoren weicht von der Messteilung t ab, wobei die Bedingung n * s ≥ m * t erfüllt ist, wobei n die Anzahl der Sensoren und m die Codebreite des pseudozufälligen Codes ist und wobei n > m gilt. Durch diese Ausgestaltung kann die Anzahl der erforderlichen Sensoren weiter verringert werden. Dieser Ausführungsform liegt das gleiche Funktionsprinzip zugrunde, welches auch bei der Noniusskala eines mechanischen Messschiebers zur Anwendung kommt. Die kleinstmögliche Anzahl an Sensoren ergibt sich, wenn die Bedingung n = m +1 mit n * s = m * t erfüllt ist. Durch die Abweichung des Abstandes der Sensoren gegenüber der Messteilung wird sichergestellt, dass die verschiedenen Sensoren jeweils eine unterschiedliche Relativstellung gegenüber den einzelnen gegenüberliegenden Markierungen aufweisen, so dass eine mathematisch sinnvolle Auswertung der Abtastsignale möglich ist. Bei der bekannten Ausführungsform gemäß der DE 102 34 744 A1 wurde diesem Problem durch zwei gesonderte Sensorkämme Rechnung getragen, die um eine halbe Messteilung versetzt zueinander angeordnet sind.The distance s of the sensors deviates from the measurement graduation t, the condition n * s m m * t being met, where n is the number of sensors and m is the code width of the pseudo-random code, and where n> m. With this configuration, the number of sensors required can be further reduced. This embodiment is based on the same functional principle that is also used in the vernier scale of a mechanical caliper. The smallest possible number of sensors results if the condition n = m +1 with n * s = m * t is fulfilled. The deviation of the distance between the sensors and the measuring graduation ensures that the different sensors each have a different relative position with respect to the individual opposite markings, so that a mathematically sensible evaluation of the scanning signals is possible. In the known embodiment according to the DE 102 34 744 A1 This problem was taken into account by two separate sensor combs, which are offset by half a measuring pitch.

Es kann wenigstens ein Analog-Digital-Umsetzer vorgesehen sein, um alle Abtastsignale in einen digitalen Messvektor umzusetzen, wobei wenigstens eine digitale Multipliziereinheit vorgesehen ist, die so eingerichtet ist, dass sie den Messvektor mit mehreren vorgegebenen Matrizen multiplizieren kann, um mehrere Codevektoren zu erhalten. Auf diese Weise kann die Positionsmessvorrichtung besonders einfach ausgeführt werden, da nur Additions- und Multiplikationsoperationen erforderlich sind. Die genannten mathematischen Operationen können weitgehend parallel ausgeführt werden, wodurch die Ausgabe des Positionsmesswertes mit einer besonders geringen Zeitverzögerung erfolgen kann.At least one analog-to-digital converter can be provided in order to convert all scanning signals into a digital measurement vector, at least one digital multiplier unit being provided in such a way that it can multiply the measurement vector by a plurality of predetermined matrices in order to obtain a plurality of code vectors . In this way, the position measuring device can be carried out in a particularly simple manner, since only addition and multiplication operations are required. The mathematical operations mentioned can largely be carried out in parallel, as a result of which the position measurement value can be output with a particularly small time delay.

Der Interpolator kann so eingerichtet sein, dass er aus den Codevektoren denjenigen auswählen kann, der die geringste Abweichung zu einem zweiwertigen Code aufweist, um die relative Zwischenposition bezüglich der Messteilung zu bestimmen. Durch diese Ausgestaltung kann die Interpolation auf besonders schnelle Weise realisiert werden, da die Abweichungen der verschiedenen Codevektoren zu einem zweiwertigen Code problemlos zeitlich parallel ausgeführt werden können.The interpolator can be set up in such a way that it can select from the code vectors the one that has the smallest deviation from a two-value code in order to determine the relative intermediate position with respect to the measurement graduation. With this configuration, the interpolation can be implemented in a particularly rapid manner, since the deviations of the different Code vectors for a two-value code can easily be executed in parallel in time.

Der Interpolator kann so eingerichtet sein, dass er die Abweichung eines Codevektors zu einem zweiwertigen Code dadurch bestimmen kann, dass für jedes Codevektorelement die Betragsdifferenz zu 0 und zu 1 berechnet wird, wobei eine vorgegebene Potenz des Minimums der beiden Betragsdifferenzen berechnet wird, und wobei die genannten Potenzen aufsummiert werden. Somit kann die Abweichung eines Codevektors von einem zweiwertigen Code mit besonders einfachen und damit kostengünstig zu realisierenden Rechenoperationen ausgeführt werden. Bei der vorgegebenen Potenz des Minimums der beiden Betragsdifferenzen handelt es sich vorzugsweise um die zweite Potenz, da diese besonders einfach zu berechnen ist.The interpolator can be set up in such a way that it can determine the deviation of a code vector from a two-value code by calculating the difference in amount to 0 and to 1 for each code vector element, a predetermined power of the minimum of the two difference in amounts being calculated, and the mentioned potencies are added up. Thus, the deviation of a code vector from a two-value code can be carried out with particularly simple and therefore inexpensive computing operations. The specified power of the minimum of the two differences in magnitude is preferably the second power, since this is particularly easy to calculate.

Der von dem Interpolator ausgewählte Codevektor kann dem Absolutdecoder zuführbar sein. Der Absolutdecoder kann in bekannter Weise mit einer Tabelle arbeiten, die jedem möglichen Bitcode die entsprechende Absolutposition zuordnet. Der ausgewählte Codevektor, der einem zweiwertigen Code am Nahesten kommt wird für den Zugriff auf die genannte Tabelle auf den genannten zweiwertigen Code gerundet. Der beschriebene Absolutdecoder ist sehr einfach aufgebaut und dementsprechend kostengünstig herzustellen. Die genannten Verarbeitungsschritte lassen sich sehr schnell durchführen, wodurch die Ausgabe des Positionsmesswerts mit einer besonders geringen Zeitverzögerung erfolgen kann.The code vector selected by the interpolator can be feedable to the absolute decoder. The absolute decoder can work in a known manner with a table which assigns the corresponding absolute position to each possible bit code. The selected code vector that comes closest to a two-valued code is rounded to access said table to the said two-valued code. The absolute decoder described has a very simple structure and is therefore inexpensive to manufacture. The processing steps mentioned can be carried out very quickly, as a result of which the position measurement value can be output with a particularly short time delay.

Die Markierungen der Maßverkörperung können von Abschnitten hoher und niedriger magnetischer Permeabilität oder von Abschnitten hoher und niedriger elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden, wobei die Sensoren elektrische Spulen, vorzugsweise Planarspulen, sind. Derartige Maßverkörperungen können besonders kostengünstig hergestellt werden. Die Maßverkörperung kann beispielsweise ein dünnes Blechband sein, in das eine Vielzahl von gleichartigen, rechteckigen Durchbrüchen eingeätzt worden ist. Die zwei möglichen Werte der Markierung ergeben sich durch die An- oder Abwesenheit eines Durchbruchs. Es ist aber auch möglich, die Führungsschiene eines Linearwälzlagers als Maßverkörperung zu verwenden, wobei die Markierungen von Ausnehmungen in der Führungsschiene gebildet werden. Die Ausnehmungen können beispielsweise mittels Funkenerosion in die gehärtete Stahlführungsschiene eingearbeitet werden. Aufgrund der einteiligen Ausführung der Maßverkörperung kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden.The markings of the material measure can be formed by sections of high and low magnetic permeability or by sections of high and low electrical conductivity, the sensors being electrical coils, preferably planar coils. Such material measures can be produced particularly inexpensively. The material measure can, for example, be a thin sheet metal strip into which a multiplicity of similar, rectangular openings have been etched. The two possible values of the marking result from the presence or absence of a breakthrough. However, it is also possible to use the guide rail of a linear roller bearing as a material measure, the markings being formed by recesses in the guide rail. The recesses can be machined into the hardened steel guide rail, for example by means of spark erosion. Due to the one-piece design of the measuring standard, a particularly high measuring accuracy can be achieved.

Die vorgeschlagene Induktive Abtastung hat den Vorteil einer besonders hohen Widerstandsfähigkeit gegen Umgebungseinflüsse, wie Verschmutzung der Maßverkörperung. Die hierbei verwendeten Spulen, insbesondere die kostengünstigen Planarspulen, sind mit einer besonders hohen Windungszahl auszuführen, damit ein besonders starkes Sensorsignal erzeugt wird. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der Abstand zwischen der Maßverkörperung und den Spulen üblicherweise in derselben Größenordnung wie die Messteilung der Maßverkörperung liegt. Dieser Umstand führt zu einem relativ schwachen Sensorsignal, welches nur wenig über der unvermeidbaren Rauschspannung der verwendeten Spulen liegt. Dementsprechend ist die Maximierung der Windungszahl der Spulen besonders wichtig, da hierdurch die Signalstärke wesentlich stärker ansteigt als die Rauschspannung der Sensorspulen.The proposed inductive scanning has the advantage of a particularly high resistance to environmental influences, such as contamination of the material measure. The coils used here, in particular the inexpensive planar coils, are to be designed with a particularly high number of turns, so that a particularly strong sensor signal is generated. In this context, it should be pointed out that the distance between the measuring standard and the coils is usually of the same order of magnitude as the measuring graduation of the measuring standard. This leads to a relatively weak sensor signal, which is only slightly above the unavoidable noise voltage of the coils used. Accordingly, maximizing the number of turns of the coils is particularly important since this increases the signal strength significantly more than the noise voltage of the sensor coils.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:

  • 1 eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung und
  • 2 ein Blockschaltbild der Positionsmessvorrichtung gemäß 1.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. It shows:
  • 1 a rough schematic representation of a position measuring device according to the invention and
  • 2nd a block diagram of the position measuring device according to 1 .

In 1 ist eine erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Die Positionsmessvorrichtung 10 besteht aus einer Maßverkörperung 11, die an der Führungsschiene 14 eines Linearwälzlagers vorgesehen ist. An der Führungsschiene 14 ist ein Führungswagen 15 über mehrere Reihen von (nicht dargestellten) Wälzkörpern in Längsrichtung 16 beweglich geführt. An einem Ende des Führungswagens 15 ist ein Abtastkopf 13 vorgesehen, in dem die Sensoren zum Abtasten der Maßverkörperung 11 angeordnet sind. Durch die Auswertung der Abtastsignale der Sensoren wird die absolute Stellung des Führungswagens 15 gegenüber der Führungsschiene 14 bestimmt.In 1 A position measuring device according to the invention is generally designated 10. The position measuring device 10th consists of a material measure 11 that on the guide rail 14 a linear roller bearing is provided. On the guide rail 14 is a lead car 15 over several rows of (not shown) rolling elements in the longitudinal direction 16 flexibly guided. At one end of the carriage 15 is a readhead 13 provided in which the sensors for scanning the material measure 11 are arranged. The absolute position of the carriage is determined by evaluating the scanning signals from the sensors 15 opposite the guide rail 14 certainly.

Die Maßverkörperung 11 wird durch eine Vielzahl von zweiwertigen Markierungen 12 an der Führungsschiene aus gehärtetem Wälzlagerstahl gebildet. Die Markierungen 12 sind pseudozufällig mit einer konstanten Messteilung t von 1,0 mm entlang der Längsrichtung 16 der Führungsschiene 14 verteilt angeordnet. Die zwei möglichen Werte einer Markierung 12 werden durch das Fehlen oder Vorhandensein einer Ausnehmung in der Führungsschiene repräsentiert, wobei die Ausnehmungen mittels Funkenerosion hochgenau in die Führungsschiene 14 eingearbeitet sind. Die gesamte Maßverkörperung ist mit einem (nicht dargestellten) dünnen Band aus Stahlblech dicht abgedeckt, damit die Ausnehmungen nicht durch Fremdstoffe verschmutzt werden können, wodurch sich ihre elektromagnetischen Eigenschaften ändern könnten.The material measure 11 is marked by a multitude of bivalent markings 12th formed on the guide rail from hardened roller bearing steel. The markings 12th are pseudorandom with a constant measuring pitch t of 1.0 mm along the longitudinal direction 16 the guide rail 14 distributed. The two possible values of a marker 12th are represented by the absence or presence of a recess in the guide rail, the recesses being inserted into the guide rail with high precision by means of spark erosion 14 are incorporated. The entire measuring standard is tightly covered with a thin band of sheet steel (not shown) so that the recesses cannot be contaminated by foreign matter, which could change their electromagnetic properties.

Die pseudozufällig angeordneten zweiwertigen Markierungen 12 haben die Eigenschaft, dass eine vorbestimmte Anzahl (Codebreite) von benachbarten zweiwertigen Markierungen einen Bitcode bildet, der die Absolutposition dieses Bitcodes auf der Maßverkörperung eindeutig kennzeichnet. The pseudorandomly arranged two-valued markings 12th have the property that a predetermined number (code width) of adjacent two-valued markings forms a bit code which uniquely identifies the absolute position of this bit code on the material measure.

2 zeigt ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung, die in dem Abtastkopf 13 angeordnet ist. Die Auswerteschaltung umfasst mehrere Sensoren 30, die mit einem vorbestimmten konstanten Abstand s entlang der Längsrichtung 16 verteilt angeordnet sind, wobei der Abstand s von der Messteilung t abweicht. Im vorliegenden Blockschaltbild beträgt die Codebreite der Maßverkörperung vier, wobei der Sensorabstand s so gewählt ist, dass über eine Strecke von vier Messteilungen t fünf Sensoren gleichförmig verteilt angeordnet sind. Es versteht sich von selbst, dass bei einer praktisch verwendbaren Positionsmessvorrichtung eine wesentlich größere Codebreite erforderlich ist, damit eine genügend große Anzahl von Absolutpositionen unterschieden werden kann. Die Anzahl der zu unterscheidenden Absolutpositionen ergibt sich aus der Messteilung t und der Länge der Maßverkörperung 11 bzw. der Führungsschiene. 2nd shows a block diagram of the evaluation circuit in the scanning head 13 is arranged. The evaluation circuit comprises several sensors 30th with a predetermined constant distance s along the longitudinal direction 16 are distributed, the distance s from the measuring division t deviates. In the present block diagram, the code width of the material measure is four, with the sensor distance s is selected such that five sensors are arranged uniformly distributed over a distance of four measuring divisions t. It goes without saying that a substantially larger code width is required in a position measuring device that can be used in practice, so that a sufficiently large number of absolute positions can be distinguished. The number of absolute positions to be distinguished results from the measurement division t and the length of the material measure 11 or the guide rail.

Die Sensoren 30 sind als Planarspulen ausgeführt, die mittels eines photochemischen Ätzprozesses auf ein im Wesentlichen starres ebenes Substrat aus Silizium, Metall oder Kunststoff aufgebracht sind. Bei einem Sensor kann es sich wahlweise um eine einzelne Spule mit einer einzigen Windungsrichtung oder um ein in Reihe geschaltetes Spulenpaar mit entgegen gesetzter Windungsrichtung handeln. Die zweite sogenannte differentielle Spulenanordnung wird gewählt, wenn eine hohe Unempfindlichkeit des Positionsmesssystems in Bezug auf äußere Störungen angestrebt wird. Die erste Spulenanordnung wird bevorzugt, wenn eine sehr kleine Messteilung t angestrebt wird, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Die Planarspulen 30 sind parallel zur Oberfläche der Maßverkörperung ausgerichtet, wobei deren Abstand zu dieser Oberfläche etwa der Messteilung t entspricht.The sensors 30th are designed as planar coils, which are applied to an essentially rigid, flat substrate made of silicon, metal or plastic by means of a photochemical etching process. A sensor can be either a single coil with a single winding direction or a pair of coils connected in series with an opposite winding direction. The second so-called differential coil arrangement is chosen if the position measuring system is to be insensitive to external interference. The first coil arrangement is preferred if a very small measuring graduation t is aimed for in order to increase the measuring accuracy. The planar coils 30th are aligned parallel to the surface of the material measure, the distance from this surface approximately corresponding to the measuring graduation t.

Weiter ist in dem Abtastkopf wenigstens eine (nicht dargestellte) Felderzeugungsspule vorgesehen, die ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das alle Sensoren 30 durchsetzt. Dieses elektromagnetische Wechselfeld wird von den Ausnehmungen in der Führungsschiene moduliert, wodurch je nach An- oder Abwesenheit einer Ausnehmung unterschiedliche Wechselspannungen in den Sensorspulen 30 induziert werden. Die Abtastsignale 52 in Form der genannten Wechselspannungen ändern sich kontinuierlich mit der Stellung des Führungswagens gegenüber der Führungsschiene.Furthermore, at least one (not shown) field generating coil is provided in the scanning head, which generates an alternating electromagnetic field that all sensors 30th enforced. This alternating electromagnetic field is modulated by the recesses in the guide rail, as a result of which different alternating voltages in the sensor coils depending on the presence or absence of a recess 30th be induced. The scanning signals 52 in the form of the AC voltages mentioned change continuously with the position of the carriage relative to the guide rail.

Die Abtastsignale 52 aller Sensoren 30 werden von je einem Analog-Digital-Umsetzer 33 digitalisiert. Die Verwendung mehrerer parallel arbeitender Analog Digital- Umsetzer 33 ist gegenüber einem einzigen im Multiplexbetrieb arbeitenden Analog-Digital-Umsetzer bevorzugt, weil größere Verfahrgeschwindigkeiten der Positionsmessvorrichtung 10 möglich sind. Darüber hinaus erhöht sich durch die exakt zeitgleiche Digitalisierung aller Abtastsignale 52 die Messgenauigkeit, wenn die Positionsmessvorrichtung 10 schnell bewegt wird. Die Analog-Digital-Wandlung wird synchron zum elektromagnetischen Wechselfeld, das die Abtastsignale 52 erzeugt, durchgeführt. Folglich repräsentieren die gewonnenen Digitalwerte die Schwingungsamplitude der in die Sensorspulen induzierten Wechselspannungen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Synchrondemodulation.The scanning signals 52 all sensors 30th are each from an analog-to-digital converter 33 digitized. The use of several analog-to-digital converters working in parallel 33 is preferred over a single analog-to-digital converter working in multiplex mode because of higher travel speeds of the position measuring device 10th possible are. In addition, the digitization of all scanning signals at exactly the same time increases 52 the measurement accuracy when the position measuring device 10th is moved quickly. The analog-to-digital conversion becomes synchronous with the alternating electromagnetic field, which contains the scanning signals 52 generated, performed. Consequently, the digital values obtained represent the vibration amplitude of the alternating voltages induced in the sensor coils. In this context, one also speaks of synchronous demodulation.

Alle Digitalwerte, die beim Digitalisieren der Abtastsignale 52 zu einem bestimmten Zeitpunkt gewonnen werden, werden zu einem digitalen Messvektor 53 zusammengefasst. Die digitalen Messvektoren 53 werden mehreren parallel arbeitenden Multipliziereinheiten 34 zugeführt, die den Messvektor 53 jeweils mit einer vorgebbaren Matrix von Digitalwerten multiplizieren, um einen Codevektor 54 zu ermitteln. Jede dieser Matrizen ist dabei einer der zu bestimmenden Zwischenposition der Positionsmessvorrichtung bezüglich der Messteilung zugeordnet. Der Codevektor 54 entspricht dem unter den Sensoren 30 vorhandenen zweiwertigen Bitcode der Maßverkörperung 11, sofern sich die Positionsmessvorrichtung genau in der Zwischenstellung befindet, die der betreffenden Matrix zugeordnet ist.All digital values involved in digitizing the scanning signals 52 obtained at a certain point in time becomes a digital measurement vector 53 summarized. The digital measurement vectors 53 become several multiplying units working in parallel 34 fed that the measurement vector 53 each multiply by a predeterminable matrix of digital values by a code vector 54 to investigate. Each of these matrices is assigned to one of the intermediate positions of the position measuring device to be determined with respect to the measuring graduation. The code vector 54 corresponds to that under the sensors 30th existing two-valued bit code of the material measure 11 , provided that the position measuring device is exactly in the intermediate position which is assigned to the matrix concerned.

Die Berechnung des Codevektors bzw. Bitcodes der Maßverkörperung aus dem Messvektor lässt sich mit Hilfe einer Matrixmultiplikation durchführen, weil die vorgeschlagene Positionsmessvorrichtung ein lineares Systemverhalten aufweist, d. h. der Messvektor, der sich beispielsweise bei einem Codevektor von (1, 1, 0, 1) ergibt, lässt sich aus der Summe der Messvektoren berechnen, die sich aus den Codevektoren (1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 0) und (0, 0, 0, 1) ergeben. Letztgenannte Vektoren werden Einheitsvektoren genannt, da sie nur ein einziges 1-Bit enthalten. Die genannten Matrizen lassen sich folglich bestimmen, indem die Messvektoren zu den verschiedenen Einheitsvektoren experimentell bestimmt werden. Hierzu wird eine Maßverkörperung verwendet, die nur eine einzige 1-Markierung, also nur eine einzige Ausnehmung aufweist, wobei der Abtastkopf in verschiedene Stellungen bezüglich der 1-Markierung verfahren wird, die den verschiedenen Einheitsvektoren und den verschiedenen zu ermittelnden Zwischenstellungen entsprechen. In den genannten Stellungen werden die jeweiligen Messvektoren ermittelt. Aus diesen Messwerten in Verbindung mit den zugeordneten Einheitsvektoren ergibt sich für jede gesuchte Matrix ein lineares Gleichungssystem, das problemlos gelöst werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, dass dieses Gleichungssystem mehr Gleichungen als Unbekannt aufweist, da erfindungsgemäß die Anzahl der Sensoren größer als die Codebreite ist. Bei Vorliegen eines exakt linearen Systemverhaltens sind die überzähligen Gleichungen linear abhängig zu den übrigen Gleichungen. Für den Fall eines leicht nichtlinearen Systemverhaltens wird die Lösung des Gleichungssystems durch eine Optimierungsaufgabe ersetzt, bei der diejenige Matrix gesucht wird, welche das genannte Gleichungssystem mit dem geringsten Fehler löst.The calculation of the code vector or bit code of the material measure from the measurement vector can be carried out with the aid of a matrix multiplication, because the proposed position measuring device has a linear system behavior, i. H. the measurement vector which results, for example, from a code vector of (1, 1, 0, 1) can be calculated from the sum of the measurement vectors, which can be derived from the code vectors (1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 0) and (0, 0, 0, 1) result. The latter vectors are called unit vectors because they contain only a single 1-bit. The matrices mentioned can therefore be determined by experimentally determining the measurement vectors for the various unit vectors. For this purpose, a material measure is used which has only a single 1 mark, that is to say only a single recess, the scanning head being moved into different positions with respect to the 1 mark, which correspond to the different unit vectors and the various intermediate positions to be determined. The respective measurement vectors are determined in the positions mentioned. These measured values in conjunction with the assigned unit vectors result in a linear system of equations for each matrix searched, which can be solved without any problems. It should be pointed out that this system of equations has more equations than unknown, since according to the invention the number of sensors is greater than the code width. If there is an exactly linear system behavior, the excess equations are linearly dependent on the other equations. In the case of a slightly non-linear system behavior, the solution of the system of equations is replaced by an optimization task in which the matrix is sought which solves the system of equations with the least error.

Die Codevektoren 54 werden je einer Abweichungsermittlungseinheit 35 zugeführt, die den Abstand 55 des Codevektors 54 von einem zweiwertigen Bitcode ermittelt. Diesem Berechnungsschritt liegt die Überlegung zugrunde, dass die obige Matrixberechnung nur dann einen zweiwertigen Codevektor, also einen Codevektor, der nur die Werte 0 und 1 aufweist, liefert, wenn sich die Positionsmessvorrichtung in der der Matrix zugeordneten Zwischenstellung befindet. In allen übrigen Fällen wird der Codevektor von 0 bzw. 1 abweichende Werte aufweisen, wobei die Abweichung umso größer ist, je weiter die Positionsmessvorrichtung von der betrachteten Zwischenstellung entfernt ist. Die genannte Abweichung 55 eines Codevektors zu einem zweiwertigen Code wird dadurch bestimmt, dass für jedes Codevektorelement die Betragsdifferenz zu 0 und zu 1 berechnet wird, wobei das Quadrat des Minimums der beiden Betragsdifferenzen berechnet wird und wobei die genannten Quadrate aufsummiert werden.The code vectors 54 are each a deviation determination unit 35 fed the distance 55 of the code vector 54 determined by a two-valued bit code. This calculation step is based on the consideration that the above matrix calculation only delivers a two-value code vector, that is to say a code vector which only has the values 0 and 1, when the position measuring device is in the intermediate position assigned to the matrix. In all other cases, the code vector will have values deviating from 0 or 1, the deviation being greater the further the position measuring device is from the intermediate position under consideration. The deviation mentioned 55 of a code vector for a two-value code is determined by calculating the difference in amount to 0 and 1 for each code vector element, the square of the minimum of the two difference in amounts being calculated and the said squares being added up.

Die Abweichungen 55 werden einer Auswahleinheit 36 zugeführt, welche die kleinste Abweichung 55 auswählt und daraus die Zwischenposition 55 ermittelt. Diese Zwischenposition 55 wird einerseits als Bestandteil des Gesamtpositionswerts 56 ausgegeben und andererseits dem Absolutdecoder zugeführt, damit dieser anhand der Zwischenposition 55 den für die Weiterverarbeitung am besten geeigneten Codevektor 54 auswählen kann. Die Positionsmessvorrichtung arbeitet vorzugsweise im dualen Zahlensystem, weshalb die Anzahl der Zwischenposition vorzugsweise eine 2er-Potenz ist. Die Zwischenposition 55 entspricht in diesem Fall den geringstwertigen Bits des Gesamtpositionswerts. Der Interpolator 32 im Sinne des selbständigen Anspruchs wird durch die Multipliziereinheiten 34, die Abweichungsermittlungseinheiten 35 und die Auswahleinheit 36 gebildet.The deviations 55 become a selection unit 36 fed which is the smallest deviation 55 selects and the intermediate position 55 determined. This intermediate position 55 becomes part of the overall position value 56 output and on the other hand fed to the absolute decoder so that it uses the intermediate position 55 the most suitable code vector for further processing 54 can choose. The position measuring device preferably works in the dual number system, which is why the number of the intermediate position is preferably a power of two. The intermediate position 55 in this case corresponds to the least significant bits of the total position value. The interpolator 32 in the sense of the independent claim by the multiplication units 34 , the deviation determination units 35 and the selection unit 36 educated.

Die höchstwertigen Bits des Gesamtpositionswerts 56 bzw. die Absolutposition 51 wird von dem Absolutdecoder 31 ermittelt, indem der anhand der Zwischenposition 50 ausgewählte Codevektor 54 auf einen zweiwertigen Codevektor gerundet wird, d.h. alle Codeelemente des ausgewählten Codevektors 54 werden entweder auf 0 oder 1 gerundet. Dadurch enthält man eine endliche Anzahl an möglichen Bitcodes, denen über eine endliche Tabelle die gesuchte Absolutposition 51 zugeordnet wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass dem Absolutdecoder 31 die Abtastsignale 52 im Sinne des selbstständigen Anspruchs mittelbar über den Codevektor 54 zugeführt werden.The most significant bits of the total position value 56 or the absolute position 51 is from the absolute decoder 31 determined by using the intermediate position 50 selected code vector 54 is rounded to a two-value code vector, ie all code elements of the selected code vector 54 are rounded to either 0 or 1. This contains a finite number of possible bit codes, the absolute position of which is sought via a finite table 51 is assigned. It should be noted that the absolute decoder 31 the scanning signals 52 in the sense of the independent claim indirectly via the code vector 54 be fed.

BezugszeichenlisteReference list

tt
MessteilungGraduation
ss
Abstand der Sensoren Distance of the sensors
1010th
PositionsmesseinrichtungPosition measuring device
1111
MaßverkörperungMaterial measure
1212th
Markierungmark
1313
AbtastkopfReadhead
1414
FührungsschieneGuide rail
1515
FührungswagenCarriage
1616
Längsrichtung Longitudinal direction
3030th
Sensorsensor
3131
AbsolutdecoderAbsolute decoder
3232
InterpolatorInterpolator
3333
Analog-Digital-UmsetzerAnalog-to-digital converter
3434
MultipliziereinheitMultiplier
3535
AbweichungsermittlungseinheitDeviation determination unit
3636
Auswahleinheit Selection unit
5050
ZwischenpositionIntermediate position
5151
AbsolutpositionAbsolute position
5252
AbtastsignalScanning signal
5353
MessvektorMeasurement vector
5454
CodevektorCode vector
5555
Abweichungdeviation
5656
GesamtpositionswertTotal position value

Claims (7)

Positionsmessvorrichtung (10) mit einer Maßverkörperung (11) und einem gegenüber der Maßverkörperung (11) beweglichen Abtastkopf (13) zur Abtastung der Maßverkörperung (11), wobei die Maßverkörperung (11) eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten, pseudozufälligen zweiwertigen Markierungen (12) mit einer konstanten Messteilung (t) aufweist, wobei in dem Abtastkopf (13) mehrere Sensoren (30) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass sie in einer Stellung der Positionsmessvorrichtung (10) mehrere zweiwertige Markierungen (12) abtasten können, wobei die Sensoren (30) Abtastsignale (52) ausgeben können, die sich bei einer Stellungsänderung der Positionsmessvorrichtung (10) kontinuierlich verändern, wobei die Abtastsignale einem Absolutdecoder (31) zum Ermitteln einer Absolutposition (51) bezüglich der Messteilung (t) und einem Interpolator (32) zum Ermitteln einer relativen Zwischenposition (50) bezüglicher Messteilung (t) zuführbar sind, wobei wenigstens ein Abtastsignal (52) wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder (51) als auch dem Interpolator (32) zuführbar ist, wobei der Abstand s der Sensoren (30) von der Messteilung t abweicht, wobei die Bedingung n * s ≥ m * t erfüllt ist, wobei n die Anzahl der Sensoren und m die Codebreite des pseudozufälligen Codes ist und wobei n > m gilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung n = m + 1 gilt.Position measuring device (10) with a material measure (11) and a scanning head (13) movable relative to the material measure (11) for scanning the material measure (11), the material measure (11) comprising a large number of pseudo-random two-valued markings (12 ) with a constant measuring graduation (t), wherein a plurality of sensors (30) are provided in the scanning head (13), which are arranged such that they can scan a plurality of two-valued markings (12) in one position of the position measuring device (10), whereby the sensors (30) Can output scanning signals (52) which change continuously when the position of the position measuring device (10) changes, the scanning signals being an absolute decoder (31) for determining an absolute position (51) with respect to the measuring graduation (t) and an interpolator (32) for determining a relative intermediate position (50) with respect to the measuring graduation (t) can be fed, at least one scanning signal (52) being able to be fed at least indirectly to both the absolute decoder (51) and the interpolator (32), the distance s of the sensors (30) from the measuring graduation t deviates, whereby the condition n * s ≥ m * t is fulfilled, where n is the number of sensors and m is the code width of the pseudo-random code and where n> m applies, characterized in that the condition n = m + 1 applies. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Abtastsignale (52) wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder (31) als auch dem Interpolator (32) zuführbar sind.Position measuring device after Claim 1 , characterized in that all scanning signals (52) can be fed at least indirectly to both the absolute decoder (31) and the interpolator (32). Positionsmessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Analog-Digital-Umsetzer (33) vorgesehen ist, um alle Abtastsignale (52) in einen digitalen Messvektor (53) umzusetzen, wobei wenigstens eine digitale Multipliziereinheit (34) vorgesehen ist, die so eingerichtet ist, dass sie den Messvektor (53) mit mehreren vorgegebenen Matrizen multiplizieren kann, um mehrere Codevektoren (54) zu erhalten.Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one analog-to-digital converter (33) is provided in order to convert all scanning signals (52) into a digital measuring vector (53), at least one digital multiplier unit (34) being provided, which is set up in such a way that it can multiply the measurement vector (53) by a plurality of predefined matrices in order to obtain a plurality of code vectors (54). Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Interpolator (32) so eingerichtet ist, dass er aus den Codevektoren (54) denjenigen auswählen kann, der die geringste Abweichung (55) zu einem zweiwertigen Code aufweist, um die relative Zwischenposition bezüglich der Messteilung (t) zu bestimmen.Position measuring device after Claim 3 , characterized in that the interpolator (32) is set up in such a way that it can select from the code vectors (54) the one which has the smallest deviation (55) from a two-value code in order to increase the relative intermediate position with respect to the measurement pitch (t) determine. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Interpolator (32) so eingerichtet ist, dass er die Abweichung eines Codevektors (54) zu einem zweiwertigen Code dadurch bestimmen kann, dass für jedes Codevektorelement die Betragsdifferenz zu 0 und zu 1 berechnet wird, wobei eine vorgegebene Potenz des Minimums der beiden Betragsdifferenzen berechnet wird und wobei die genannten Potenzen aufsummiert werden.Position measuring device after Claim 4 , characterized in that the interpolator (32) is set up in such a way that it can determine the deviation of a code vector (54) from a two-value code by calculating the difference in amount to 0 and 1 for each code vector element, a predetermined power of Minimum of the two differences in amount is calculated and the powers mentioned are added up. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Interpolator (32) ausgewählte Codevektor (54) dem Absolutdecoder (31) zuführbar ist.Position measuring device after Claim 4 or 5 , characterized in that the code vector (54) selected by the interpolator (32) can be fed to the absolute decoder (31). Positionsmessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (12) der Maßverkörperung (11) von Abschnitten hoher und niedriger magnetischer Permeabilität oder von Abschnitten hoher und niedriger elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden, wobei die Sensoren (30) elektrische Spulen, vorzugsweise Planarspulen, sind.Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the markings (12) of the material measure (11) are formed by sections of high and low magnetic permeability or by sections of high and low electrical conductivity, the sensors (30) being electrical coils, preferably planar coils , are.
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