CH666348A5 - Verfahren zum auswerten von messsignalen, die durch abtastung eines inkrementalmassstabes mit einer abtasteinheit erhalten werden und messeinrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von Messsignalen, die durch Abtastung eines Inkrementalmassstabes mit einer Abtasteinheit erhalten werden, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindimg betrifft auch eine Messeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäss dem Eberbegriff des Patentanspruches 11.

Verfahren und Messeinrichtungen der gegenständlichen Art sollen das Auflösungsvermögen und die Anzeigegenauigkeit bei der Inkrementalmessung, insbesonder von Längen und winkeln verbessern. Ursprünglich konnte bei der Abtastung einer Inkre-mentalteilung pro abgetasteter aus jeweils einem Hell- und einem Dunkelfeld bestehender Teilungseinheit nur eine beschränkte Anzahl von Signalen erzeugt werden, wobei grundsätzlich nur Zählsignale erzeugt und zur Steuerung eines Vor-Rückwärtszählers oder einer vergleichbaren Einheit, beispielsweise eines Rechners, dem Vorwärts- und Rückwärtssignale zugeführt werden und der die Differenz von zwei Zählständen bildet, verwendet wurden. Triggert man die Nulldurchgänge von zwei analogen in ihrer Grundform sinusförmigen und um 90° gegeneinander versetzten Messsignalen, so erhält man pro Teilungseinheit vier Zählsignale. Durch Vervielfacherschaltungen, insbesondere Potentiometerschaltungen, kann man aus den beiden phasenverschobenen Analogsignalen mehrere Analogsignale gewinnen und deren Nulldurchgang triggern. In der Praxis hat man so pro Massstabeinheit bis zu zwanzig Zählsignale erzeugt. Es ergibt sich ein grosser Schaltungsaufwand. Jedes Signal ist ein Zählsignal und es müssen daher Zähler mit sehr hoher Zählfrequenz verwendet werden, um zu in der Praxis brauchbaren hohen Abtastgeschwindigkeiten des Massstabes zu gelangen.

Bereits aus der US-PS 3 618 073 ist es bekannt, aus ihren Verlauf periodisch ändernden Signalspannungen durch Digitalisierung und Verwendung eines Rechners mit Interpolationstabelle Interpolationswerte zu errechnen und so praktisch eine beliebige Unterteilung der Massstabeinheiten vorzunehmen, wobei die erhaltenen Interpolationswerte unmittelbar einer Anzeigeoder Auswerteeinheit zugeführt werden können.

Nach einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird sowohl ein über die getriggerten Analogsignale gesteuerter Zähler als auch ein über einen AD/Wandler mit wenigstens einem Analogsignal entsprechenden Digitalwerten beaufschlagter Rechner verwendet, der auch mit den Zählsignalen beaufschlagt werden kann. Die Zählsignale und die vom Rechner errechneten Interpolationswerte werden einer gemeinsamen Anzeige zugeführt, wobei eine Möglichkeit darin besteht, die beiden letzten Anzeigestellen für die Anzeige der Interpolationswerte und die übrigen Anzeigestellen für die Anzeige des Zählerstandes einzusetzen. Der Rechner erfüllt die Zusatzaufgabe, die Zählsignale und die Interpolationswerte einander eindeutig zuzuordnen.

Eine sehr feinstufige Unterteilung durch Interpolation ist nur dann sinnvoll, wenn die Feinstufigkeit der Anzeige der tatsächlich vorhandenen Messgenauigkeit entspricht. Bei der

Messgenauigkeit ist zwischen der Messgenauigkeit der Messeinrichtung an sich und der Messgenauigkeit beim Einsatz der Messeinrichtung an einer Maschine oder dgl. zu unterscheiden. Bei bekannten Messeinrichtungen wird nur die Messgenauigkeit der Messeinrichtung selbst berücksichtigt. Diese kann von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden. Bei aufeinanderfolgenden Signalzügen können schon im Analogsignal Relativabweichungen auftreten, die bei relativ gleicher Stellung der Abtast-einheit zu den beiden Massstabeinheiten zu verschiedenen Anzeigen führen können, da sich unterschiedliche Digitalwerte für gleiche Relativstellungen der Abtasteinheitenergeben. Bei längeren Massstäben kann es über die Länge zu periodischen Abweichungen in Signalverlauf und -form kommen. Änderungen der Signalform können auch durch Alterung, Änderung der Relativlagen von Abtasteinheit und Massstab und durch äussere Einflüsse, z.b. Verschmutzung des Massstabes auftreten. Bisher ist man bestrebt, einen Teil der möglichen Fehler durch eine möglichst exakte Führung der Abtasteinheit am Massstab klein zu halten und zum Ausgleich der verbleibenden Fehler Korrekturen vorzusehen. Man geht bisher grundsätzlich davon aus, schon die Analogsignale zu korrigieren, so dass dem AD/ Wandler korrigierte Analogsignale einer bestimmten Form zugeführt werden. Man muss zu diesem Zweck Zwischenspeiche-rungen, Umformungen und weitere Beeinflussungen des Signalverlaufes der an der Abtasteinheit erhaltenen Analogsignale vornehmen, um bei den dem AD/Wandler zugeführten Signalen etwa gleiche Signalformen, gleiche Signalamplituden, gleiche oder keine Gleichspannungsanteile und schliesslich gleiche Phasenabstände zu erhalten. Bei einer bekannten Messeinrichtung werden Gleichspannungsdetektoren zur Ermittlung der Gleichspannungsanteile, Amplitudendetektoren zur Ermittlung der Amplitudenhöhen und Phasenvergleicher zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen den beiden phasenversetzten, bei der Abtastung des Massstabes erhaltenen Analogsignalen vorgesehen. Die an diesen Detektoren bzw. Vergleichern bei einer vollständigen Abtastung des gesamten Massstabes ermittelbaren Korrekturwerte gegenüber einem vorgegebenen Idealverlauf der Analogsignale werden digitalisiert und gespeichert, wobei bei den später folgenden tatsächlichen Messungen zu dem jeweils von jedem abgetasteten Inkrement erhaltenen Signal ein gespeicherter Korrekturwert abgerufen und erst das um den Korrekturwert korrigierte Signal der Interpolationsberechnung unterzogen wird. Nachteilig ist hier, dass man jedem Inkrement des Massstabes Speicherplätze zuordnen muss und Massstababtastung und Adressensuche im Korrekturspeicher zu synchronisieren sind. Es ergibt sich dadurch ein sehr grosser schaltungstechnischer Aufwand und die Messeinrichtung wird deshalb und auch wegen möglicher Fehlsynchronisierungen beim Abruf der den einzelnen Massstabinkrementen zugeordneten Speicher stö^ rungsanfällig. Wegen der Vielzahl der benötigten Korrekturspeicherplätze muss ein aufwendiger Rechner eingesetzt werden. An sich müsste man die vollständige Korrekturabtastung des Massstabes mit Speicherung der Korrekturwerte vor jedem Messvorgang vornehmen. Auch dadurch würden nur die durch Alterung und Änderung der Relativlagen der Abtasteinheit zum Massstab und die durch die Verschmutzung bedingten Fehler berücksichtigt. Unberücksichtigt bliebe trotzdem, dass in der Praxis beispielsweise bei Messungen an Werkzeugmaschinen bei unbelasteter oder stillgesetzter Maschine die Korrekturabtastung erfolgt, wogegen die Messung bei oder nach Belastungen der Maschinen und gegebenenfalls bei mit der Abtasteinheit verbundenem, im Einsatz befindlichem Werkzeug vor sich geht. Systematische Messfehler, die daraus entstehen, dass in den meisten Fällen nicht die genaue Messung am Massstab interessiert, sondern genau die Relativlagen eines Werkzeuges zu einem Werkstück zu finden sind, können nicht berücksichtigt bzw. verhindert werden. Bei solchen Messungen können, da der Massstab nur der eigentlichen Messstrecke zugeordnet ist, Ab5

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weichungen beim Verlauf der Messstrecke, beim Verlauf des Massstabes (Aparallelitäten) und auch Abweichungen der Ist-Position eines entlang der Messstrecke verstellbaren Teiles, beispielsweise eines Werkzeuges, dessen Position zu bestimmen ist, gegenüber einer Soll-Position zum Massstab bei der jeweiligen Stellung der Abtasteinheit auftreten.

Teilungsfehler des Inkrementalmassstabes wurden schon dadurch berücksichtigt, dass man ihn und einen Eichmassstab parallel abtastet und in einem Festwertspeicher eine Korrekturtabelle für die Abweichungen speichert, wobei die Einzelplätze des Festwertspeichers beim Messvorgang wieder synchron mit der Massstabtastung angesprochen und bei der Interpolationsberechnung die Korrekturwerte berücksichtigt werden. Es ergibt sich wieder das Problem der genauen Synchronisierung. Alte-rungs- und Verlagerungsfehler können nicht berücksichtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung des Verfahrens und der Messeinrichtung der eingangs genannten Art mit dem Ziel, den Anlageaufwand bei gleichzeitiger Herabsetzung der Störempfindlichkeit und Erzielung einer hohen Genauigkeit zu reduzieren.

Die gestellte Aufgabe wird prinzipiell durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die im Nachhinein äusserst einfache erfindungsgemässe Lösung basiert auf dem Schluss, dass unmittelbar aufeinanderfolgende, bei der Abtastung aufeinanderfolgender Massstabinkre-mente erhaltene Messsignale praktisch immer ähnlich oder itend sein werden. Man kann daher mit den aus einem Signalzug erhaltenen Werten den Rechner kalibrieren und die Interpolationsberechnung der folgenden Signalzüge unter Berücksichtigung der bei der Kalibrierung festgelegten Korrekturwerte vornehmen, so dass praktisch der Berechnung ein idealer Signalverlauf zugrundegelegt wird.

Im Rechner kann man eine Kalibrierung theoretisch mit jedem Signalzug vornehmen. Hier wäre sogar nach einer Möglichkeit eine Verzögerung der Analogsignale möglich, so dass ein Signalzug schon mit dem durch ihn selbst kalibrierten Rechner verarbeitet wird. In der Praxis genügt es aber, für fast alle vorkommenden Fälle, die Kalibrierung des Rechners nur unterhalb einer bestimmten Abtastgeschwindigkeit oder periodisch vorzunehmen. Vorwiegend werden für die Kalibrierung die Maxima und Minima der Analogsignale verwendet. Man kann auch eine Kalibrierung des Rechners mit einer einen vollständigen Signalzug der Messsignale entsprechenden Folge von Digitalwerten vornehmen.

Eine Kalibrierung ist vor jeder Messung oder als Bestandteil der jeweiligen Messung möglich. Eine Messstrecke ergibt sich jeweils als Summe aus den zurückgelegten vollständigen Signalzügen und denSignalzugbruchteilen. Die Signalzüge können über eigene Zähler oder über zählerähnliche Einrichtungen im Rechner erfasst werden. Für die Signalzugbruchteile wird die Interpolationsberechnung vorgenommen. Wird der Rechner erst während der Messung kalibriert, kann man die vor dem ersten vollständigen Signalzug auftretenden Signalzugbruchteile speichern und erst nach der Kalibrierung vom Speicher in die Berechnung abrufen.

Beim erfindungsgemässen Verfahren müssen die Analogsignale vor der Digitalisierung nicht immer korrigiert werden.

Dies ermöglicht in weiterer Folge Massnahmen, die bei bekannten Verfahren vom System her ausgeschlossen sind. Man kann nämlich nach einer Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens von der Überlagerung ausgehen, dass bestimmte Abweichungen in der Signalform von einem Idealverlauf mit einem möglichen systematischen Messfehler verknüpft sein können. Änderungen der relativen Phasenlage der Messsignale und ihrer Gleichspannungsanteile können mit geringen Schrägstellungen der Abtasteinheit gegenüber dem Massstab zusammenhängen. Aus diesen Erkenntnissen kann man die Verfahrensschritte nach den Ansprüchen 9 und 10 vorsehen und damit Abweichungen des Verlaufes einer Messstrecke vom Verlauf des Massstabes usw. berücksichtigen. Die bisher bei diesen Messungen auftretenden Fehler waren wesentlich grösser als die bei der Interpolationsberechnung möglichen Fehler und konnten sogar in der Grössenordnung einiger Zählschritte liegen. Es wäre auch möglich, die erwähnten Abweichungen mit Hilfe eigener Fühler zu erfassen.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 11. Die abhängigen Patentansprüche 12 und 13 gegen vorteilhafte Weiterbildungen der Messeinrichtung an. Der abhängige Patentanspruch 14 kennzeichnet eine Messeinrichtung, bei der die Ausnützung von in Signaländerungen enthaltenden und durch Signalabweichungen ausdrückbaren Informationen möglich ist. Nimmt man an, dass im einfachsten Fall die beiden dort erwähnten Gitter gegengleich geneigt sind, so ergibt sich in den ihnen zugeordneten Ableseeinheiten in der Normalstellung gegenüber dem Massstab eine bestimmte Phasenlage und ein bestimmter Gleichspannungsanteil bei den erzeugten Messsignalen. Wird die Ableseeinheit verkantet, so kommen die Rasterstriche des einen Gittern näher zur Parallellage mit den Teilungsstrichen des Massstabes und gleichzeitig nimmt die Neigung der Rasterstriche des anderen Gitters gegenüber den Teilungsstrichen des Massstabes zu. Der Gleichspannungsanteil in jedem Messsignal, das über das sich der Parallellage zum Massstab nähernde Gitter erzeugt wird, wird abnehmen und die Signalamplitude wird zunehmen. Bei dem über das andere Gitter erzeugten Messsignal wird mit zunehmender Neigung zum Massstab der Gleichspannungsanteil zu- und die Signalamplitude abnehmen. Schon daraus kann die Neigungsrichtung und die exakte Neigung bestimmt werden. Es ändert sich auch die relative Phasenlage der beiden Messsignale. Bei den meisten Messeinrichtungen wird mit vier Gittern gearbeitet, wobei die den Gittern zugeordneten Empfänger paarweise in Anti-parallelschaltung verbunden sind. Stehen vier Gitter zur Verfügung, kann man bei entsprechender Gitteranordnung aus der Signalform und -läge eine noch genauere Aussage über allfällige Verkantungen erzielen. Lageänderungen der Abtasteinheit quer zur Messrichtung könnten auch über eigene Abtastspuren und zugeordnete Abtastableseeinheiten festgestellt werden. Die Abweichungen können bei der Interpolationsberechnung aber auch dazu benützt werden, um die Messung nicht auf den Massstab, sondern auf eine Messstrecke oder einen entlang der Messstrecke verstellbaren Teil zu beziehen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung im Blockschaltschema und

Fig. 2 einen möglichen Signalverlauf von bei der Abtastung erhaltenen Analogsignalen und daraus berechneten normierten Signalen, die der Interpolationsberechnung zugrundegelegt werden.

Beim Ausführungsbeispiel wurde ein Linearmassstab dargestellt, der eine Inkrementalteilung aufweist. Es könnte auch auf einem bogen- oder kreisförmigen Träger eine inkrementale Winkelteilung vorgesehen sein. Zur Abtastung des Massstabes 1 wird eine Abtasteinheit 2 vorgesehen. Bei einer optoelektronischen Abtastung enthält die Abtasteinheit 2 Beleuchtungseinrichtungen für den Massstab, Abtastgitter mit der Massstabteilung entsprechender Teilung, die gegeneinander zusätzlich zu ihrem Versatz um mehrere ganze Teilungsinkremente auch um im voraus genau bestimmte Bruchteile der Massstabteilung versetzt sind, und lichtempfindliche Sensoren beispielsweise Phototransistoren die bei der Relativverstellung der Abtasteinheit 2 gegenüber dem Massstab 1 ihrer Beleuchtungsänderung durch das zugeordnete Gitter entsprechende Signale erzeugen. Diese Signale sin a, cos a werden in weiterer Folge als analoge Messsi5

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gnale bezeichnet. Beim Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass zwei in ihrer Grundform sinusförmige Signalzüge erzeugt werden, deren Signallänge einer aus einem Hell- und Dunkelfeld bestehenden Massstabeinheit entspricht und die gegeneinander um einen Sollwert von 90° phasenverschoben sind.

Die Messsignale sin a, cos a werden auf Leitungen'3, 4 gelegt und schliesslich über einen Rechner 5 ausgewertet, dem eine Anzeige- oder Steuereinheit 6 nachgeordnet ist.

Der Rechner 5 erhält einerseits über eine Leitung 7 Zähloder Synchronisiersignale und wird anderseits von einem AD/ Wandler 8 her mit Digitalwerten beaufschlagt.

Für die Erzeugung der dem Rechner 5 über die Leitung 7 zuzuführenden Zähl- oder Synchronisiersignale werden die auf den Leitungen 3, 4 liegenden analogen Messsignale über Kom-paratoren bzw. Triggerstufen 9, 10 jeweils beim Nulldurchgang in Rechtecksignale umgewandelt, die an einen Richtungsdiskri-minator 11 gelegt werden, der daraus, welches der beiden auf den Leitungen 3, 4 liegenden Messsignale sin a, cos a dem anderen voreilt, die jeweilige Verstellrichtung der Abtasteinheit 2 gegenüber dem Massstab 1 bestimmt, also als Richtungserkennungsstufe dient und auf eine Leitung 12 ein Richtungssignal legt. Beim Ausführungsbeispiel wird dieses Richtungssignal zur Steuerung eines Vor- Rückwärtszählers 13 verwendet, dem auch das eine der umgeformten Messsignale zugeführt wird, so dass er entsprechend den Flanken des Rechtecksignals zählt, wobei die Zählrichtung über die Leitung 12 eingesteuert wird und der Zählerstand ein ganzzahliges Vielfaches des in Inkrementen ausgedrückten Abstandes des jeweiligen Messpunktes von einem Bezugspunkt, bei dem der Zähler auf Null stand bzw. der vorige Zählerwert erfasst wurde, ist. Die Zählsignale werden auf die Leitung 7 gelegt. Bei entsprechender Organisation des Rechners 5 sind auch Ausführungen möglich, bei denen der Rechner 5 nur Richtungserkennungssignale erhält oder sogar Zähler und Richtungserkennungsstufe in den Rechner integriert sind. Hier können zwei gegengleich geschaltete Zähleinrichtungen verwendet werden, von denen die eine nur bei der Verstellrichtung vorwärts und die andere nur bei der Verstellrichtung rückwärt zählt, wobei der Rechner die Zählerstände periodisch abfragt und aus ihnen den zurückgelegten Weg in vollen Inkrementen berechnet. Der andere Extremfall besteht darin, über einen Vor- Rückwärtszähler 13 einen Teil der Anzeige 6 unmittelbar zusteuern, über die Zählsignale nur eine Synchronisierung des Rechners 5 vorzunehmen und den Rechner nur für die Interpolationsberechnung von Teilungsinkrementen auszunützen.

Beim Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der Rechner 5 über die Leitung 7 mit den Zählsignalen beaufschlagt wird.

Zur Verringerung des Schaltungsaufwandes und um insbesondere mit nur einem AD/Wandler 8 das Auslangen zu finden, wird beim Ausführungsbeispiel ein Multiplexer 14, also praktisch ein elektronischer Umschalter verwendet. Dieser Multiplexer 14 erhält vom Rechner 5 über eine Leitung 15 Steuerbefehle und verbindet entsprechend diesen Befehlen seine Eingänge 16 bis 19 mit einem zum AD/Wandler 8 führenden Ausgang 20. Die Eingänge 16 und 17 liegen an Maxima-Minima-Detekto-ren 21, 22, die an die Leitungen 3, 4 anschliessen, wogegen die Eingänge 18 und 19 unmittelbar mit den Leitungen 3, 4 verbunden sind, also mit den analogen Messsignalen sin a, cos a beaufschlagt werden. Am Multiplexer 14 bzw. AD/Wandler 8 können wie üblich, Latch-and-Hold-Einrichtungen vorgesehen werden und der AD/Wandler wird mit Vorspeichern versehen.

Am AD/Wandler liegen beim Einschalten des Systems über die Eingänge 18,19 zugeführte analoge Messsignale sin a, cos a an, die der momentanen Stellung der Abtasteinheit 2 über der Messteilung des Massstabes 1 entsprechen und deren jeweilige Grösse dem Ausmass der Abdeckung der Inkremente der Messteilung durch die Gitterinkremente der Ablesegitter entspricht.

Die jeweiligen Werte sin a, cos a werden digitalisiert und in einen Speicher des Rechners 5 eingegeben. Beim weiteren Messverlauf werden, sofern eine Verstellung der Abtasteinheit 2 um wenigstens ein Doppelinkrement erfolgt ist, die Maxima und v 5 Minima sin max, sin min, cos max, cos min, der auf den Lei-* tungen 3, 4 liegenden analogen Messsignale sin a, cos a über die Detektoren 21, 22 erfasst und über den Multiplexer 14 dem AD/Wandler 8 und damit dem Rechner 5 zugeführt. Der Rechner wird durch diese Werte, beispielsweise wie dies noch im Zu-lo sammenhang mit Fig. 2 beschrieben wird, kalibriert und berechnet Korrekturwerte für einen Sollverlauf der Messsignale. Nach der Kalibrierung ist der Rechner 5 in der Lage, jedem ihm zugeführten an den Eingängen 18, 19 anliegenden, momentanen, analogen Messsignalwert sin a, cos a, der im AD/Wandler 15 digitalisiert wird, einen entsprechenden Wert am idealen Signalverlauf zuzuordnen und nach diesem Wert die Interpolationsberechnung vorzunehmen.

Bei der weiteren Messung werden die analogen Messsignale sin a, cos a aus den Leitungen 3, 4 über die Eingänge 18 und 19 20 des Multiplexers nacheinander auf den AD/Wandler abgefragt. Die zugeordneten Digitalwerte werden dem Rechner zugeführt und in diesem, soweit erforderlich, entsprechend der Kalibrierung umgerechnet. Bei einer Mindestverstellgeschwindigkeit (Abtastgeschwindigkeit) werden ferner entweder im Abfrage-25 takt des Rechners 5 oder in Abhängigkeit von der Abtastgeschwindigkeit immer wieder vollständige Signalzüge sin a, cos a bzw. ihre Maxima- und Minimawerte neu abgefragt und für die neuerliche Kalibrierung bzw. Nachkalibrierung des Rechners 5 herangezogen. Aus den Zählsignalen, die über die Leitung 7 zu-30 geführt werden und die im Extremfall nur der Synchronisierung zu dienen'brauchen und den auf den Sollverlauf umgerechneten digitalisierten Messsignalen wird im Rechner 5 die Ist-Position berechnet und der Anzeige 6 zugeführt. Bei der Interpolationsberechnung erfolgt die Unterteilung des Massstabes in kleinere 35 Einheiten, beispielsweise in Mikrometer und Zehntelmikrometer. Zur genauen Positionsbestimmung ist es an sich nur nötig, die zwischen Messbeginn und Messende liegenden, vollen Mass-stabteilstücke zu erfassen und die Bruchteile der Massstabteilung vor dem ersten vollen Teilstück — bezogen auf das analo-40 ge Messsignal sin a, cos a — vor dem ersten Nulldurchgang oder, bezogen auf das der Korrekturberechnung unterzogenen Messsignal vor dem ersten Nulldurchgang bzw. den ersten Maximal oder Minima des korrigierten Messsignals und ab dem letzten charakteristischen Punkt (Nulldurchgang usw.) des 45 Messsignals zu erfassen und der Interpolationsberechnung zu unterziehen. Aus dem zu Beginn der Messung festgehaltenen Speicherwert wird zu diesem Zweck über den kalibrierten Rechner ein Korrekturwert abgerufen wobei der diesem Korrekturwert zugeordnete Abstand vom ersten charakteristischen Punkt 50 des korrigierten Signals berechnet wird. Dieser einem Teilungsbruchteil entsprechende Abstand der aus dem Inkremental-bruchteil nach dem letzten charakterischen Wert des korrigierten Messsignals durch Interpolationsberechnung bestimmte Wert sowie die festgehaltene Summe der Anzahl der Null- Ma-55 xima- oder Minima- Durchgänge wird im Rechner 5 zum endgültigen Anzeigeergebnis verknüpft.

Die dargestellte Schaltung stellt eine Sparschaltung dar. Es wäre auch möglich, beide analoge Messsignale sin a, cos a über an die Leitungen 3, 4 anschliessende AD/Wandler zu führen 60 und die Digitalwerte gleich auf den Rechner 5 zu legen. Dabei würde der Rechner nicht mit den Maxima- und Minimawerten sin max, sin min, cos max, cos min allein, sondern jeweils mit dem ersten anfallenden vollständigen Signalzug der analogen Messsignale — natürlich in digitalisierter Form — kalibriert. 65 Wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben werden wird, wird im Rechner eine Korrektur der Messsignale bezüglich der gegenseitigen Phasenlage, der Gleichspannungsanteile des jeweiligen Verlaufes vorgenommen. Man kann darüber hinaus bei

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der Berechnung der Änderungen der Phasenlage und der Gleichspannungsanteile der Messsignale sin a, cos a berechnen, wobei diese Änderungen als Mass für die Verstellung der Abtasteinheit 2 gegenüber einer Sollage zum Massstab 1 Berücksichtigung finden können. Ist die Abtasteinheit 2 mit einem Werkzeug verbunden und gibt man in den Rechner 5 den Abstand des Werkzeugeingriffspunktes vom Massstab ein, kann man ein Vor- oder Nacheilen des Werkzeugeingriffspunktkes gegenüber dem Abtastpunkt der Abtasteinheit nach der Änderung der Gleichspannungsanteile und der Phasenlage der Messsignale ermitteln und im Bedarfsfall an der Anzeige gleich die echte Position des Eingriffspunktes und nicht die Messposition, die das durch Belastung auftretende Vor bzw. Nacheilen des Werkzeuges nicht berücksichtigt, darstellen. Auch ein schräger Verlauf des Massstabes gegenüber einer Messstrecke kann kompensiert werden.

Die Normierung der Messsignale auf einen korrigierten Sollverlauf soll anhand der Fig. 2 der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser Fig. 2 sind übereinandner in vereinfachter Darstellungsweise jeweils ein bei der Abtastung des Inkrementalmassstabes 1 tatsächlich erhaltenes Sinussignal sin a und ein gegenüber diesem Sinussignal sin a phasenverschobenes Cosinussignal cos a sowie darunter die aus diesen Messsignalen im Rechner 5 gewonnenen und der Berechnung zugrundegelegten korrigierten Messsignale sinNa und cosNa dargestellt.

Der in Fig. 2 oben dargestellte tatsächliche Verlauf der Messsignale sin a, cos a gibt folgendes Bild:

Das aus der Abtastung des Inkrementalmassstabes 1 erhaltene Messsignal sin a hat einen Gleichspannungspegel DC sin, der gegenüber dem erwünschten Nullpegel um einen bestimmten Wert verschoben ist. Beim Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass auch die tatsächlien Amplituden des Sinus- und Cosinussignals sin a, cos a verschieden sind, wobei das Cosinussignal cos a einen negativen Gleichspannungspegel DC cos enthält.

Für die Interpolationsberechnung sind die beiden Messsignale sin a, cos a ohne sonstigie Massnahmen nicht brauchbar. Zur Erzielung brauchbarer, auf eine bestimmte Amplitudenhöhe normierter Messsignale sinNa, cosNa (Fig. 2 unten) wird wie folgt vorgegangen:

Durch Spitzendetektion werden zunächst die Maximal- und Minimalwerte sin max, sin min, cos max, cos min des Sinus-und Cosinussignals, bezogen auf die Nullinie detektiert. Der Gleichspannungspegel der beiden Signale lässt sich wie folgt berechnen:

sin max. + sin min.

A-'^-(offset) sin. —

2

(I)

cos max. + cos min.

-»-'^(offset) cos —

2

Die mittlere Amplitudenhöhe bzw. die tatsächliche, auf die um den DC-Anteil versetzte Nullinie bezogene Amplitudenhöhe ASin, Acos der beiden Signale sin a, cos a ergibt sich wie folgt:

. sin max. - sin min.

Asin =

2 (II)

A _ cos max. - cos min.

Acos

2

In (I) und (II) ist vorzeichenrichtig zu rechnen, d.h. im Zähler schein in (I) die Differenz und in (II) die Summe der Absolutwerte der jeweiligen Maxima und Minima auf.

Die nächste Korrekturstufe besteht darin, das anstehende Sinus- bzw. Cosinussignal sin a, cos a auf die Normalamplitudenhöhe An (Fig. 2 unten) zu bringen, d.h. diese Normalamplitudenhöhe aus der tatsächlichen Amplitudenhöhe zu berechnen. Um dies zu ermöglichen, werden für das anstehende Signal Korrekturfalctoren (ksjn bzw. kcos) nach den Formeln

An

An berechnet, in welchen Formeln An die für beide Signale gleich angenommene Normalamplitudenhöhe (Maximalwert) bedeutet.

Aus obigen Überlegungen kann nun im Rechner eine Normierung des Eingangssignals sin a, cos a in zwei Schritten vorgenommen werden. Im ersten Schritt wird der Gleichstrompegel (DCoffset) eliminiert, so dass die in Fig. 2 oben dargestellten Sinus- bzw. Cosinussignale sin a, cos a rechnerisch um den jeweiligen Gleichspannungsanteil versetzt werden, also auf die Normalnullinie bezogen sind. Um dies zu erreichen, wird das anstehende Sinus- bzw. Cosinussignal sin a, cos a (also nicht mehr die detektierten Maximalwerte) im Rechner mit dem jeweiligen Gleichspannungspegel (DCSin, DCcos verknüpft. Es ergeben sich dann vom Gleichspannungspegel befreite, berechnete Signale sin a und cos a nach der Formel sin a = sin a - DC Si„

(IV)

cos a = cos a - DC cos

Im zweiten Schritt wird die Normierung auf die Normalamplitude nach der Formel sinN a = sin a x kSj„

(V)

cosn a = cos a x kcos berechnet.

Beim Betrieb der Messeinrichtung wird angenommen, dass die Normierung für eine Reihe von aufeinanderfolgenden Signalzügen des gleichen Messsignals sin a, cos a gleichbleiben kann d.h., dass sich DC-Pegel DCSin und DCcos und Korrekturfaktoren kSi„, Kcos nicht ändern. Das Rechnerprogramm kann so gewählt werden, dass der Rechner 5 immer dann, wenn die Abtastgeschwindigkeit des Massstabes 1 unter einen bestimmten Wert sinkt, neue an den Detektoren anstehende Spitzenwerte erfasst und daraus die PC-Pegel DCSjn, DCcos und die Korrekturwerte für die folgenden Korrekturen neu berechnet.

Für die Interpolationsberechnung werden vorteilhaft jene Bereiche der Messsignale sin a, cos a bzw. der normierten Messsignale sinNa, cosNa herangezogen, in denen diese einen möglichst linearen Verlauf besitzen. Es ist daher vorteilhaft, sofern man keine brauchbaren Dreieckssignale anstelle der Sinus- und Cosinussignale zur Verfügung hat, jeweils nur bestimmte Bereiche des Signalverlaufes für die Interpolationsberechnung heranzuziehen. Dazu werden, vereinfacht ausgedrückt, zu jedem möglichen Absolutwert des normierten Sinus- bzw. Cosinussignals in einer Interpolationstabelle des Rechnerspeichers oder eines angeschlossenen Speichers Interpolationswerte gespeichert.

Der «mögliche» Absolutwert wird, wie erwähnt, im Bereich des linearen Verlaufes des Sinus- bzw. Cosinussignals erfasst. Der Rechner 5 wird zusätzlich durch die sich beim Nulldurchgang der normierten Messsignale erfassbaren Taktsignale gesteuert. Eine «Länge» ergibt sich aus der Summe der genannten

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beim Nulldurchgang ausgetriggerten Taktsignale und der über die Anzahl der Taktsignale hinaus erfassten Signalfragmente, die der Interpolationsberechnung aufgrund des Momentanwer-tes des jeweiligen Messsignals unterzogen werden.Über die «Taktsignale» kann man auch eine Umschaltung vornehmen, in der für die Interpolationsberechnung vom Sinus- auf das Cosinussignal (sinN bzw. cosn) und umgekehrt umgeschaltet wird. Die Interpolationstabelle kann für die Interpolation nach sinN bzw. cosn gleichbleiben. Durch die bei den Nulldurchgängen erfassten Taktsignale wird der jeweilige Modus der Interpolationsberechnung vorbestimmt. Bezogen auf das Messsignal kann die Interpolationsberechnung (Fig. 2 unten) von 0 bis 45° dem shiN-Signal dann von 45 bis 135° dem cosN-Signal von 135 bis 225° wieder dem sinN-Signal usw. folgen.

Den obigen Ausführungen hegt die Annahme zugrunde,

dass die Signalform bei der Messeinrichtung erhalten bleibt. Oben wurde auch angenommen, dass die Phasenverschiebung von sinNa und cosNa 90° beträgt.

Um auch eine Phasenverschiebung der Messsignale, also Abweichungen von der beim Ausführungsbeispiel 90° betragenden Phasenverschiebung ausgleichen zu können, ist eine weitere Korrekturstufe vorgesehen. Diese umfasst vom Rechner 5 gesteuerte Latch-and-Hold-Einrichtungen für die beiden Messsignale. Diese werden vom Rechner 5 in seinem Arbeitstakt aktiviert und halten den momentan anstehenden Wert der Signale sinNa bzw. cosNa fest. Eines der beiden Signale wird als Leitsignal angenommen. Nimmt man sinNa als Leitsignal, dann wird — über den Rechner gesteuert — in der Interpolationstabelle nachgesucht, welchem Signalbereich der momentan anstehende s Wert entspricht. Beispielsweise wird ein Wert ermittelt, der sinNa von 48° entspricht. Gleichzeitig wird auch für coswa der Tabellenwert ermittelt. Es möge sich ein cosNa von 56° ergeben. Dies bedeutet, dass das cosNa-Signal dem Sollverlauf von 90° um 8° voreilt. Die ermittelte Abweichung wird gespeichert. Bei io der Interpolation nach dem cosNa-Signal wird in der Interpolationstabelle um den Korrekturwert versetzt ausgelesen, d.h. es wird eine Korrektur vorgenommen, die bewirkt, dass beim Ausführungsbeispiel für einen Interpolationswert, der cosNa von 56° zuzuordnen ist, der (56° - 8° = 48°) dem auf richtige Pha-i5 senlage korrigierten Signal zugeordnete Tabellenplatz aufgesucht wird. In der Praxis genügt es, wenn entsprechende Korrekturberechnungen nur bis zu einer bestimmten Höchstabtast-geschwindigkeit und auch nur dann vorgenommen werden, wenn, bedingt durch den Rechnertakt, nur bestimmte Bereiche 20 der Messsignale, beispielsweise sinNa 45° ± 15° erfasst werden. Durch diese Voraussetzungen wird der gesamte Aufwand wesentlich verringert, ohne dass die Genauigkeit im Endeffekt leidet. Auch die Normierung der Messsignale wird mit ausreichender Genauigkeit nur periodisch bzw. nur bis zu einer bestimm-25 ten Mindestabtastgeschwindigkeit des Massstabes vorgenommen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Auswerten von Messsignalen, die durch Abtastung eines Inkrementalmassstabes mit einer Abtasteinheit erhalten werden, wobei wenigstens zwei analoge, in ihrer Grungform sinusförmige und gegeneinander phasenverschobene Messsignale mit der Messteilung des Inkrementalmassstabes entsprechender Signalzuglänge erzeugt und diese Messsignale über einen Rechner ausgewertet werden, der eine Anzeige- bzw. Steuereinheit steuert, wobei für die Auswertung einerseits die Messsignale einer Richtungserkennungsstufe zur Bestimmung der Zählrichtung und zur Erzeugung eines entsprechenden Richtungssteuersignals zugeleitet und anderseits die Messsignale auf wenigstens einen AD/Wandler gelegt werden, wobei dem Rechner sowohl das Richtungssteuersignal als auch die am AD/Wandler anstehenden Digitalwerte zugeführt werden, so dass das Messergebnis als Summe aus dem sich aus den durchlaufenen vollen Signalzügen der Messsignale ergebenden Teilwert und einem sich durch Interpolationsberechnung von verbleibenden Signalzugbruchteilen aus den anstehenden Ditigal-werten ergebenden Teilwert erhalten wird, wobei für die Interpolationsberechnung Korrekturen zur Berücksichtigung von Änderungen im Messsignalverlauf bei an verschiedenen Mess-teilungsinkrementen erzeugten Messsignalzugbruchteilen zumindest bezüglich der Amplitudenhöhe, der Gleichspannungsanteile und der Phasendifferenz vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (5) selbst zur Durchführung entsprechend korrigierter Berechnungen mit bestimmten Bereichen eines bei der Abtastung mittels der Abtasteinheit (2) erhaltenen vollständigen Signalzuges der analogen Messsignale (sin a, cos a) entsprechenden Digitalwerten auf die Korrektur des momentan erhaltenen und der folgenden Messsignalzüge kalibriert wird, so dass der Rechner (5) aus den ihm zugeführten weiteren Messsignalen bzw. den diesen entsprechenden Digital-werten einen korrigierten Sollverlauf (sinNa, cosNa) der Messsignale berechnet und nach diesem die Interpolationsberechnung vornimmt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (5) jeweils unterhalb einer vorgewählten Abtastgrenzgeschwindigkeit kalibriert wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (5) periodisch kalibriert wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (5) mit dem Maximum (sin max, cos max) des jeweils ersten vollständigen Signalzuges der zugeführten Messsignale (sin a, cos a) bzw. den diesem Maximum entsprechenden Digitalwerten kalibriert wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Rechners (5) aus den Maximal-und Minimalwerten (sin max, sin min, cos max, cos min) die Gleichspannungsanteile (DCSi„, DCcos) der Messsignale (sin a, cos a) berechnet und für die weitere Signalverarbeitung eliminiert werden und für die nun von dem Gleichspannungsanteil befreiten Messsignale Korrekturfaktoren, die eine normierte Signalhöhe bestimmen, ermittelt und bei der Interpolationsberechnung berücksichtigt werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den gegeneinander phasenverschobenen Messsignalen (sin a, cos a) Abweichungen der Phasenverschiebung der normierten Messsignale (sinNa, cosNa) von einer Soll-Verschiebung erfasst und bei der Interpolationsberechnung berücksichtigt werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (5) mit einer je einem vollständigen Signalzug (sin a, cos a) der analogen Messsignale entsprechenden Folge von Digitalwerten kalibriert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Beginn einer Messung vor dem Auftreten der dem ersten vollständigen Signalzug der Messsignale entsprechenden Digitalwerte anstehenden, einem abgetasteten Messteilungsbruchteil zugeordneten Digitalwerte gespeichert und später über die Kalibrierung abgerufen werden, so dass sie in dem der Anzeigeeinheit zugeführten Ergebnis in korrigierter Form berücksichtigt sind.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Messergebnisses auf einer Messstrecke bezogen wird, der der Masstab (1) zugeordnet ist, wobei Abweichungen des Verlaufes der Messstrecke vom. Verlauf des Massstabes und/oder der Ist-Position eines entlang der Messstrecke verstellbaren Teiles, dessen Position zu bestimmen ist, gegenüber einer Soll-Position bei der jeweiligen Stellung der Abtasteinheit (2) am Massstab (1) erfasst und aus ihnen dem Rechner zugeführte Korrekturwerte bestimmt werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (2) mit dem entlang der Messstrecke verstellbaren Teil gekuppelt und quer zur Massstablängsrichtung zumindest in der Abtastebene verstellbar angebracht wird, so dass sie zumindest teilweise einem vom Massstab (1) abweichenden Verlauf der Messstrecke folgen kann, wobei Änderungen der Gleichspannungsanteile (DCSi„, DCcos) der analogen Messsignale (sin a, cos a) und/oder ihrer Phasenlase im Rechner (5) als Mass für diese Abweichung berücksichtigt bzw. erfasst und dem Rechner als Korrekturwert eingegeben werden.
11. 11. Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Aus Werteeinheit für wenigstens zwei mittels einer Abtasteinheit bei der Relativverstellung gegenüber einem Inkrementalmassstab erzeugte, analoge, gegeneinander phasenverschobene und in ihrer Grundform sinusförmige Messsignale, bei denen ein vollständiger Signalzug einem abgetasteten Teilungspaar auf der Inkrementalteilung entspricht, wobei die Auswerteeinheit für die analogen Messsignale einerseits eine Richtungserkennungsstufe sowie eine Umformer- bzw. Triggerstufe zur Erzeugung von insbesondere beim Nulldurchgang der Messsignale getriggerten Zählsignalen und anderseits wenigstens einen AD/Wandler aufweist und ein Rechner vorgesehen ist, der mit demAD/Wandler, der Richtungserkennungsstufe und der Umformer- bzw. Triggerstufe verbunden ist und der aus anstehenden Digitalwerten entsprechend der jeweiligen Zwischenstellung der Abtasteinheit Interpolationswerte für die Zählsignale errechnet und entsprechend dem momentanen Zähl- bzw. Interpolationswert eine Anzeigeeinheit steuert, wobei dem Rechner wenigstens eine Korrekturstufe zur Berücksichtigung von Änderungen im Signalverlauf der an verschiedenen Messteilungsinkrementen erzeugten Signalzüge zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturstufe als Bestandteil des Rechners (5) ausgebildet und jeweils mit bestimmten Bereichen eines vollständigen Signalzuges der bei der Abtastung mittels der Abtasteinheit (2) erhaltenen analogen Messsignale entsprechenden Digitalwerten kalibrierbar ist, so dass der Rechner (5) die Auswertung und Interpolationsberechnung nachfolgender Signalzüge entsprechend dieser Kalibrierung korrigiert.
12. 12. Messeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (5) für die Kalibrierung über den AD/Wandler mit an den analogen Messsignalen liegenden Ma-xima-Minima-Detektoren (21, 22) verbindbar ist.
13. 13. Messeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil einer Speichereinrichtung des Rechners (5) als Vorspeicher für vor dem bzw. den ersten vollständigen Signalzügen anstehende, einen abgetasteten Teilungsbruchteil der Messteilung am Massstab (1) repräsentierende Digitalwerte geschaltet ist, der über eine Abfrageeinheit über die kalibrierte Korrekturstufe abrufbar ist.
14. 14. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einem als Strichgittermassstab ausgebildeten Inkrementalmassstab und einer in ihrer Abtastebene wenigstens zwei Ab-tastgitter mit entsprechender Teilung aufweisenden, in der Ab5

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    20

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    3

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    tastrichtung verstellbaren Abtasteinheit zur Erzeugung der phasenverschobenen, analogen Messsignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (2) in der Abtastebene quer zur Messrichtung gegenüber dem Massstab (1) begrenzt verstellbar angebracht ist und die Abtastgitter gegeneinander geneigt (aparallel) angeordnet sind, so dass bei der Abtastung des Massstabes auftretende Änderungen der Phasenlage und/oder der Gleichspannungsanteile der analogen Messsignale als Mass für eine Querverstellung oder Verschwenkung der Abtasteinheit gegenüber dem Massstab erfassbar sind.