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CN107687829A - 位置测量装置和用于运行位置测量装置的方法 - Google Patents

位置测量装置和用于运行位置测量装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种位置测量装置，包括：具有测量刻度的刻度载体；扫描单元，其可相对于测量刻度沿测量方向移动地设置，扫描单元用于通过扫描测量刻度产生位置相关的扫描信号；用于将扫描信号处理成位置信号的信号处理单元；和信号接口，能够经由信号接口将位置信号输出至后续电子装置。在信号处理单元中设置有至少一个校正单元，借助校正单元能够校正至少一个扫描信号的至少一个信号误差，以及设置有监控单元，借助监控单元能够确定达到信号误差的极限值，并且随后能够至少将触发事件的校正单元去激活。此外，本发明涉及用于运行位置测量装置的方法。

Description

位置测量装置和用于运行位置测量装置的方法
技术领域
本发明涉及一种位置测量装置以及一种用于运行位置测量装置的方法。
背景技术
增量位置测量装置在自动化技术中并且尤其在机床中用于：测量可移动的部件的位置变化。因此，增量旋转传感器测量旋转运动，例如旋转的轴的旋转运动。相反，增量长度测量设备测量可彼此相互移动设置的机器部件的线性移动。
在已知的增量位置测量装置中由检测器单元扫描刻度轨迹，所述刻度轨迹由规则设置的编码元件构成。在此，能够使用极其不同的物理扫描原理，例如光学的、磁性的、电感性的或电容性的扫描原理。从扫描中得出的检测器信号在相同运动(恒定速度或者恒定转速)的情况下优选尽可能是正弦形的，位置信息例如能够通过对所经过的信号周期计数，或者当需要提高的分辨率时，附加地通过将信号周期划分成多个长度或角度区段(内插)来获得。当在扫描时产生两个检测器信号时，能够获得方向信息，所述检测器信号具有例如彼此间90°的相移。为了实现用于增量位置测量装置的原理所决定的相对位置测量的绝对基准点，通常在至少一个位置处产生参考脉冲。对此，能够在单独的刻度轨迹上设置有适当的刻度结构，所述刻度结构同样被检测器单元扫描。
由检测器单元获取的检测器信号在信号处理单元中处理，并且对应于输出接口的规定进行调整。用于增量位置测量装置的已知接口例如对于增量信号而言需要1V的峰值间值(Spitze-Spitze-Wert)。信号在运动速度(转速)恒定的情况下尽可能是正弦形的并且围绕基准电位(通常接地电位0V)对称地变化。增量位置信号之间的相移为90°。参考脉冲RI是对称的并且其最大值相对于增量位置信号处于限定的位置处。
信号处理单元能够在宽的界限之内补偿由检测器单元所获取的检测器信号的老化所决定的变换，如信号幅度的降低。该方案的缺点是：当达到信号处理单元的调节极限时，在必须维护或更换位置测量装置之前仅存在短暂的筹备时间。此外，通过信号处理单元优化检测器信号使关于测量刻度校准检测器单元变难，因为在尚未精确改进(Anbau)明显有误的检测器信号的情况下就已经能够获得已最佳的位置信号。
DE 195 21 252 A1公开一种位置测量装置，其中在干扰的情况下能够将输出放大器的一个或多个输出端切换为是高欧姆的。然而这导致设备立即紧急停止，因此不存在预防性维护的可能性。
发明内容
本发明的目的是：提供一种改进的位置测量装置，其中能够及早地以信号方式通知信号误差。
所述目的通过根据本发明的位置测量装置实现。
提出一种位置测量装置，其包括：具有测量刻度的刻度载体；扫描单元，所述扫描单元可相对于测量刻度沿测量方向移动地设置，所述扫描单元用于通过扫描测量刻度产生位置相关的扫描信号；用于将扫描信号处理成位置信号的信号处理单元；和信号接口，能够经由所述信号接口将位置信号输出至后续电子装置。在信号处理单元中设置有至少一个校正单元，借助所校正单元能够校正至少一个扫描信号的至少一个信号误差，以及设置有监控单元，借助所述监控单元能够确定达到信号误差的极限值，并且随后能够至少将触发事件的校正单元去激活。
根据本发明的位置测量装置的有利的设计方案从优选的实施方式中得出。
此外，本发明的目的是提出一种方法，其中能够及早地以信号方式通知信号误差。
所述目的通过根据本发明的用于运行位置测量装置的方法实现。
现在，提出一种用于运行位置测量装置的方法，所述位置测量装置包括：具有测量刻度的刻度载体；扫描单元，所述扫描单元能相对于测量刻度沿测量方向移动地设置，并且借助所述扫描单元通过扫描测量刻度产生位置相关的扫描信号；信号处理单元，在其中将扫描信号处理成位置信号；和信号接口，经由所述信号接口将位置信号输出至后续电子装置。在信号处理单元中设置有至少一个校正单元，借助所校正单元能够校正至少一个扫描信号的至少一个信号误差，以及设置有监控单元，借助所述监控单元能够确定达到信号误差的极限值，并且由所述监控单元随后至少将触发事件的校正单元去激活。
根据本发明的方法的有利的设计方案从优选的实施方式中得出。
从实施例的下面的描述中得出其他的优点。
附图说明
附图示出：
图1示出根据本发明的位置测量装置的第一实施例，
图2示出根据本发明的位置测量装置的第二实施例，和
图3示出增量扫描信号或位置信号的幅度值关于时间的信号变化。
具体实施方式
图1根据本发明的位置测量装置10的方框图。所述位置测量装置包括扫描单元12，所述扫描单元适当地构成用于扫描在刻度载体14上的测量刻度。例如通过所述刻度载体和扫描单元与机床的可移动的部件连接，应当确定其彼此间的相对位置，由此刻度载体14和扫描单元12在此可以已知方式沿测量方向相对彼此移动地设置。
根据本发明，能够构成线性的位置测量装置(长度测量设备)还有旋转的位置测量装置(旋转传感器或角度测量设备)。同样地，本发明尽可能与物理扫描原理无关。因此，能够使用光学的、磁性的、电容或电感的扫描。
在所示出的实例中，测量刻度由增量刻度轨迹16和基准刻度轨迹17构成。从测量刻度16、17的扫描中得出扫描信号S0、S90、R，所述扫描信号包括两个出自增量刻度轨迹16的扫描中的相移90°的增量信号S0、S90以及来自基准刻度轨迹17的扫描中的参考信号R。根据扫描原理，在用于产生扫描信号S0、S90、R的扫描单元12中能够发生对检测器信号的预处理，例如将电流信号变换成电压信号。
增量信号S0、S90在测量刻度相对于扫描单元12相同运动(对应于恒定的速度)的情况下尽可能是正弦形的。参考信号R用于：为增量位置测量装置10的原理所决定相对的位置测量提供绝对基准位置。对此，参考信号R在至少一个限定的位置(或在角度测量设备的情况下在限定的角位置处)具有脉冲，所述脉冲称作为参考脉冲。
扫描信号S0、S90、R输送给信号处理单元20，所述信号处理单元将所述扫描信号处理成位置信号P0、P90、PR。对此，信号处理单元20包括至少一个、在所示出的实施例中三个校正单元20.1、20.2、20.3，其分别适合于校正扫描信号中的至少一个的信号误差。具体地涉及偏移校正单元20.1、幅度校正单元20.2和相位校正单元20.3。
偏移校正单元20.1用于：校正增量信号S0、S90的信号偏移，使得正弦信号的最小值和最大值关于基准电位(通常接地电位0V)对称地设置。所述偏移校正单元也能够构成用于设定参考信号R的平衡电位，即如下电位，只要不出现参考脉冲，所述电位就具有参考信号R。
幅度校正单元20.2用于：将增量信号的信号幅度增大到限定值，例如增大到1V的峰值间值。对此，能够使用放大器件。同样地，幅度校正单元20.2能够构成用于将参考脉冲R的幅度设定到限定值。
相位校正单元20.3适当地构成用于：设定增量信号之间的相移，例如设定到90°，其中运动方向(转动方向)确定：哪些信号超前或滞后。此外，相位校正单元20.3能够设置用于：设定参考脉冲相对于增量信号的位置，例如，使得其最大值处于如下位置处，在所述位置中增量信号具有正值并且具有相同的瞬时值。
以该方式校正的扫描信号作为位置信号P0、P90、PR经由信号接口50输出给后续电子装置80、例如机床的数字控制装置。在校正单元20.1、20.2、20.3的调节精度的范围内，位置信号P0、P90、PR刚好对应于接口规格的理想值。信号接口50能够包括驱动器组件，所述驱动器组件为了输出给后续电子装置而放大位置信号P0、P90、PR。驱动器组件能够适当地构成用于将位置信号P0、P90、PR以由信号处理单元20产生的极性输出以及作为增量位置信号P180、P270、IPR输出。
根据本发明，在信号处理单元20中设置有监控单元30。所述监控单元适当地构成用于确定：扫描信号S0、S90、R的在校正单元20.1、20.2、20.3中校正的信号误差是否到达极限值，或者是否超过或低于该值。如果是这种情况的话，那么监控单元30切换到信号通知模式中，并且至少将与该信号误差相对应的校正单元20.1、20.2、20.3去激活，其中去激活在该实施例中应理解为：相应的校正单元20.1、20.2、20.3切换到基础状态下，即不再执行校正。这引起：位置信号P0、P90、PR至少具有如下信号误差，所述信号误差引起切换到信号通知模式中。因此，如果例如扫描信号S0、S90、R中的一个的幅度下降到极限值之下，那么去激活幅度校正单元20.2，如果扫描信号S0、S90、R中的一个的偏移超过极限值，那么去激活偏移校正单元20.1，等等。
因此，极限值有利地选择成，使得后续电子装置80还能够评估位置信号P0、P90、PR，即下述机器保持工作，在所述机器处运行位置测量装置10。
在一个有利的设计方案中，监控单元30在这种故障情况下去激活全部校正单元20.1、20.2、20.3，使得将扫描信号S0、S90、R作为位置信号P0、P90、PR来输出。为了去激活校正单元20.1、20.2、20.3设有开关机构30.1、30.2、30.3。
在后续电子装置80侧设有接收器侧的监控单元90，所述监控单元监控位置信号P0、P90、PR，并且确定通过切断一个或多个校正单元20.1、20.2、20.3所引起的一个或多个误差大小的阶跃性变化，并且显示给设备的操作人员，例如通过在监视器上输出警告消息。接收器侧的监控单元90如图1中示出那样能够设置在后续电子装置80之内，但是其也能够为单独的设备。
定位测量装置10的根据本发明的设计方案具有两个实际相关的作用：第一，以该方式能够以信号的方式通知后续电子装置80，使得必须考虑到位置测量装置10的不久的失效，或者必须维护位置测量装置80，以便预防失效。在该情况下，维护能够意味着：测量刻度16、17和/或扫描单元12必须被清洁，或者扫描单元12关于测量刻度16、17的位置必须重新设定。第二，信号通知模式能够用于：在位置测量装置10起动时，首要地能够最佳地设定扫描单元12相对于测量刻度16、17的位置，使得也在没有校正的情况下已经获得尽可能精确的位置信号P0、P90、PR。如果校正单元20.1、20.2、20.3总是工作，那么扫描单元12相对于测量分布的粗略定位已经足以获得可利用的位置信号P0、P90、PR。当然，在该情况下能够出现：扫描信号S0、S90、R中的一个或多个仅刚好遵守预设的极限值。在校正单元20.1、20.2、20.3工作时进行校准因此实际上并非是实践导向的。
切换到信号通知模式能够通过如下方式人工触发：即将用于扫描的信号衰减或中断。这能够通过如下方式实现：扫描单元12在起动时远离测量刻度16、17使得达到或超过或低于信号误差的一个或多个极限值。这尤其在所谓的开放式长度测量装置中能够简单地执行，因为在此通常分开地交付和安装比例尺(刻度载体14)和扫描单元12。另一可能性是：在扫描单元12和测量刻度16、17之间引入衰减或中断机构。因此在对光源和相应的光电检测器之间的光路进行光学扫描时能够通过薄膜等来中断。在磁性扫描的情况下，能够将铁磁材料引入测量刻度16、17和磁性传感器之间，等等。
有利地，通过切断和再接通位置测量装置10能够再次激活已去激活的校正单元20.1、20.2、20.3。
图2示出根据本发明的位置测量装置100的另一实施方式。已经结合图1描述的部件设有相同的附图标记。
信号处理单元120也在该实例中包括偏移校正单元120.1、幅度校正单元120.2和相位校正单元120.3。但是，与之前描述的实例不同，监控单元130的校正单元120.1、120.2、120.3现在信号通知达到、超过或低于极限值。如果是这种情况的话，那么监控单元130又至少去激活与该信号误差相对应的校正单元120.1、120.2、120.3或者也去激活全部的校正单元120.1、120.2、120.3。然而现在，不通过切换或跨接相应的校正单元120.1、120.2、120.3来进行去激活，而是通过取消校正功能来进行，这通过存储当前的调节参数进而一定程度上封锁校正单元120.1、120.2、120.3的功能实现。这引起：在过渡到信号通知模式时不直接地出现位置信号P0、P90、PR的变化，而是在信号误差进一步提高时才可识别变化。
如通过虚线绘制的、从幅度校正单元120.2至扫描单元12的箭头表明：也能够通过直接作用于扫描单元12进行信号误差的校正。因此，例如在光学扫描原理的情况下能够通过提高用于运行光源的电流来扩大扫描信号S0、S90、R的信号幅度。此外，当在该情况下也不再以物理可测量的方式存在扫描信号S0、S90、R时，能够将该信号理解为：所述信号在没有校正单元120.1、120.2、120.3影响的情况下由扫描单元12产生。这显然也适用于第一实施例。
图3以增量扫描信号S0或位置信号P0的幅度值A关于时间的信号变化的实例，示出借助图1和2阐述的两个实施例的优点。虚线示出的曲线描述对应于根据图1的实施例的位置信号P0，点划线示出的曲线示出根据图2的实例的位置信号P0'的替选变化。根据位置测量装置10、100的运行条件，所示出的曲线包括多年的时间跨度。
在位置测量装置10、100起动之后，扫描信号S0(还有位置信号P0)具有初始幅度A1。在位置测量装置10、100的寿命的过程中，幅度降低，尤其在光学扫描原理的情况下由于光源的发光强度的变差或由于测量刻度的污染持续增加而降低。
极限值A2是如下幅度值，在所述幅度值下接收器侧的监控单元90在后续电子装置80侧识别幅度的降低并且生成提醒信号。
极限值A3是如下幅度值，在达到或低于所述幅度值的情况下，监控单元30将位置测量装置10、100切换到信号通知模式中。
最后极限值A4是最小的幅度值，所述最小的幅度值还能够由后续电子装置80评估。低于极限值A4引起其中运行有位置测量装置10、100的设备失效。
现在，在时间点t1，扫描信号S0达到极限值A3并且位置测量装置10、100切换到信号通知模式中，并且去激活幅度校正单元20.2或120.2。这在对应于图1的实施例构成的位置测量装置10中引起位置信号P0突然降低，所述位置信号由于低于极限值A2在后续电子装置80侧立即被识别。但是位置测量装置10还运行直至时间点t3，使得存在足够的时间，以便在通常的维护区间期间维护或更换位置测量装置10。
相反，在对应于图2的实施例的位置测量装置100中，自切换时间点起尽可能跟踪扫描信号S0的走向并且在时间点t2才达到极限值A2。在此，直至位置测量装置100失效，在时间点t4存在足够的时间用于其维护或更换。因为通常在大约寿命终止时扫描信号S0的幅度的下降加速，所以时间点t2和t4之间的时间跨度比第一实施例的时间点t1和t3之间的时间跨度更短。另一方面，第一实施例的位置测量装置10的、在时间点t3的寿命的终止比第二实施例的位置测量装置100的寿命的终止更早达到。
相反，如果校正单元20.1、20.2、20.3、120.1、120.2、120.3运行直至达到其调节极限，那么识别即将发生的运行干扰和达到定位测量装置10、100的寿命终止之间的时间缩短至：使得在标准维护区间之内以维护或更换形式的反应不再会是可行的。
当在图2的实例中监控单元130附加适当地构成用于在达到第二极限值A5(时间点t5)时至少再次激活触发事件的校正单元(在图3的实例中为幅度校正单元120.2)，更确切地说以调节的理论值来激活时，可以实现位置测量装置100的进一步改进，其中所述理论值表示位置信号P0、P90、PR的更差的信号质量。在所示出的实例中，调节的理论值设定为第二极限值A5，使得得到位置信号P0”的作为点线示出的替选的幅度变化。以该方式，位置信号P0”的幅度能够在时间点t6达到调节极限之前保持在第二极限值A5的水平上。在该时间点之后，位置信号P0”的幅度快速下降，并且在时间点t7达到用于可靠运行设备的极限值A4。
与此类似，达到第二极限值A5当然也能够通过监控扫描信号S0进行。同样地，该方法能够以匹配于另外的信号误差的方式使用，并且也能够反映到第一实施例上。
该方式引起位置测量装置100的更长的可达到的运行持续时间，而且引起在后续电子装置80中评估位置信号P0”时提高的安全性，因为位置信号P0”的幅度越接近功能极限A4，在后续电子装置80中处理出错的危险就上升。
该处理方式在如下光学扫描原理的情况下是尤其适合的，其中如上面提及的那样，位置信号P0、P90、PR的信号幅度的提高能够借助幅度校正单元120.2通过借助放大器组件放大扫描信号S0、S90、R，还有通过提高所使用的光源的运行电流来进行。因为，光源的运行电流的提高大多负面地作用于其寿命，所以例如能够主要通过调节光源的电流来校正信号幅度直至达到第一极限值A3，并且自达到第二极限值A5起主要通过借助于放大器组件放大来进行。
信号处理单元20、120有利地至少部分地构成为可编程组件(FPGA)或者应用专用集成电路(ASIC)。同样有利的是：信号处理单元20、120的功能完全地或部分地通过使用微处理器、尤其信号处理器来实现。除了所描述的功能之外，信号处理单元20、120还能够执行处理步骤。
本发明明显不限制于所描述的实施例，而是能够由本领域技术人员在权利要求的范围内替选地进行设计。

Claims (11)

1.一种位置测量装置，包括：具有测量刻度(16、17)的刻度载体(14)；扫描单元(12)，所述扫描单元能相对于所述测量刻度(16、17)沿测量方向移动地设置，所述扫描单元用于通过扫描所述测量刻度(16、17)产生位置相关的扫描信号(S0、S90、R)；用于将所述扫描信号(S0、S90、R)处理成位置信号(P0、P90、PR)的信号处理单元(20、120)；和信号接口(50)，能够经由所述信号接口将所述位置信号(P0、P90、PR)输出至后续电子装置(80)，其中在所述信号处理单元(20、120)中设置有至少一个校正单元，借助所述校正单元能够校正至少一个扫描信号(S0、S90、R)的至少一个信号误差，以及设置有监控单元(30、130)，借助所述监控单元能够确定达到所述信号误差的极限值，并且随后能够至少将触发事件的所述校正单元去激活。
2.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中由所述监控单元能够通过切断所述校正单元将所述校正单元去激活，使得将所述扫描信号(S0、S90、R)作为位置信号(P0、P90、PR)输出。
3.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中由所述监控单元通过取消校正功能和存储当前的调节参数能够将所述校正单元去激活。
4.根据上述权利要求中任一项所述的位置测量装置，其中至少一个所述校正单元是偏移校正单元(20.1、120.1)或相位校正单元(20.3、120.3)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的位置测量装置，其中所述监控单元(30、130)附加地适当地构成用于：在达到第二极限值(A5)的情况下，借助调节的理论值再次至少激活触发所述事件的所述校正单元，与借助所述调节直至第一极限值相比，借助所述理论值能够达到所述位置信号(P0、P90、PR)的更差的信号质量。
6.一种用于运行位置测量装置的方法，所述位置测量装置包括：具有测量刻度(16、17)的刻度载体(14)；扫描单元(12)，所述扫描单元能相对于所述测量刻度(16、17)沿测量方向移动地设置，并且借助所述扫描单元通过扫描所述测量刻度(16、17)产生位置相关的扫描信号(S0、S90、R)；信号处理单元(20、120)，在所述信号处理单元中将扫描信号(S0、S90、R)处理成位置信号(P0、P90、PR)；和信号接口(50)，经由所述信号接口将所述位置信号(P0、P90、PR)输出至后续电子装置(80)，
其中在所述信号处理单元(20、120)中设置有至少一个校正单元，借助所校正单元能够校正至少一个扫描信号(S0、S90、R)的至少一个信号误差，以及设置有监控单元(30、130)，借助所述监控单元能够确定达到所述信号误差的极限值，并且由所述监控单元随后至少将触发事件的所述校正单元去激活。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述监控单元能够通过切断所述校正单元将所述校正单元去激活，使得将所述扫描信号(S0、S90、R)作为位置信号(P0、P90、PR)输出。
8.根据权利要求6所述的方法，其中由所述监控单元通过取消校正功能和存储当前的调节参数将所述校正单元去激活。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中通过切断或再接通所述位置测量装置(10，100)再次激活至少一个去激活的校正单元。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中由所述监控单元(30、130)在达到第二极限值(A5)的情况下借助调节的理论值再次至少激活触发所述事件的所述校正单元，与借助所述调节直至第一极限值相比，借助所述理论值能够达到所述位置信号(P0、P90、PR)的更差的信号质量。
11.一种信号传输系统，具有根据权利要求1至5中任一项所述的位置测量装置(10、100)，所述位置测量装置连接到后续电子装置(80)上，其中在所述后续电子装置(80)方面设置有接收器侧的监控单元，借助所述监控单元能够确定达到至少一个位置信号(P0、P90、PR)的极限值。
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