DE102006029650B4

DE102006029650B4 - Schaltungsanordung und Verfahren zur Kippfehlerermittlung an einer Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102006029650B4
Application number: DE102006029650.8A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bernhard Robert
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: US7748251B2; DE102006029650A1; JP2008008903A; US20080011043A1; JP5171128B2

Abstract

Schaltungsanordnung zur Kippfehlerermittlung an einer Positionsmesseinrichtung (1) mit wenigstens einer Inkrementalspur (11) auf einer Maßverkörperung (10), die von einer Abtasteinrichtung (20) abgelesen wird, die in einer Messrichtung (X) relativ zur Maßverkörperung (10) beweglich ist, bei der die Führung der Abtasteinrichtung (20) an der Maßverkörperung (10) erfolgt und die Abtasteinrichtung (20) gegenüber der Maßverkörperung (10) um einen während der Relativbewegung veränderlichen Verkippungswinkel (Θ) gedreht ist, wobei➢ die Abtasteinrichtung (20) senkrecht zur Messrichtung (X) einen ersten Abtastbereich (21) und einen zweiten Abtastbereich (31) aufweist,➢ beim Ablesen der wenigstens einen Inkrementalspur (11) mit dem ersten Abtastbereich (21) wenigstens ein erstes Positionssignal (40, 41, 42, 43) und mit dem zweiten Abtastbereich (31) wenigstens ein zweites Positionssignal (50, 51, 52, 53) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass➢ das wenigstens eine erste Positionssignal (40, 41, 42, 43) und das wenigstens eine zweite Positionssignal (50, 51, 52, 53) einer Arithmetikeinheit (100) zugeführt sind, mit der aus dem wenigstens einen ersten Positionssignal (40, 41, 42, 43) und aus dem wenigstens einen zweiten Positionssignal (50, 51, 52, 53) durch Additions- und/oder Subtraktionsoperationen wenigstens zwei Kippfehlersignale (VK1, VK2, VK3) erzeugt werden, deren Amplitude von einem Kippwinkel (φ) bestimmt wird, der ein Maß für den Verkippungswinkel (Θ) ist und➢ die Arithmetikeinheit (100) einen ersten Differenzverstärker (101) zur Bildung eines ersten Kippfehlersignals (VK1) und einen zweiten Differenzverstärker (102) zur Bildung eines zweiten Kippfehlersignals (VK2) enthält und➢ in einer Auswerteeinheit (120) aus den wenigstens zwei Kippfehlersignalen (VK1, VK2, VK3) ein Kippfehlerwert (VR) ermittelt wird, der dem Verkippungswinkel (Θ) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kippfehlerermittlung an einer Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine solche Schaltungsanordnung erlaubt es, Führungsfehler, die zwischen einer Maßverkörperung und einer Abtasteinrichtung der Positionsmesseinrichtung auftreten, zu ermitteln. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kippfehlerermittlung an einer Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 9. Positionsmesseinrichtungen sind aus einer Vielzahl von Druckschriften bekannt. Sie dienen vor allem der Bestimmung von relativen Verschiebungen oder der absoluten Position von Maschinenteilen, beispielsweise bei Werkzeug- oder Messmaschinen.
Derartige Positionsmesseinrichtungen bestehen im Wesentlichen aus einer Maßverkörperung, auf der eine oder mehrere Teilungsspuren aufgebracht sind, und einer Abtasteinrichtung, die die Teilungsspuren abtastet und Weg- bzw. Winkeländerungen in elektrische Signale umwandelt. Bei Längenmessgeräten ist die Maßverkörperung bevorzugt als Maßstab ausgebildet. Wird ein Längenmessgerät zur Messung von relativen Maschinenbewegungen eingesetzt, kann der Maßstab beispielsweise stationär an der Maschine montiert sein, während die Abtasteinheit an einem beweglichen Maschinenteil, etwa einem Werkzeugschlitten, befestigt ist, dessen Relativbewegung gegenüber der Maschine gemessen werden soll. Bei einer Verfahrbewegung des Werkzeugschlittens bewegt sich die Abtasteinheit in einer Abtastebene in Messrichtung parallel zu den auf dem Maßstab angeordneten Teilungsspuren, die sich in einer Maßstabsebene befinden und tastet die Teilungsspuren ab. Dabei werden Positionssignale gewonnen, die die relative Position der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab anzeigen.
Die Messungen von relativen Maschinenbewegungen können fehlerhaft sein, wenn die Maschinenführungen ungenau sind, insbesondere dann, wenn die Abtasteinheit in der Abtastebene relativ zur Maßstabsebene eine Kippbewegung ausführt, während sie entlang des Maßstabs bewegt wird. Derartige Kippbewegungen können zum einen dadurch zustande kommen, dass die Führung des Werkzeugschlittens ungenau ist, zum andern, dass der Maßstab über die Messlänge Verbiegungen quer zur Messrichtung aufweist.
Die EP 0 555 507 B1 beschreibt eine Wegmesseinrichtung, bei der die Abtasteinheit senkrecht zur Messrichtung mehrere Abtastbereiche aufweist, die entweder eine Teilungsspur in mehreren Messspuren, oder mehrere, parallel verlaufende Teilungsspuren, gleichzeitig abtasten. Bei den Teilungsspuren handelt es sich vorzugsweise um Inkrementalspuren. In den von den mehreren Abtastbereichen erzeugten Positionssignalen ist eine Information über das Maß der Verkippung der Abtasteinheit relativ zum Maßstab enthalten.
Die DE 100 18 298 A1 beschreibt ebenfalls eine Positionsmesseinrichtung, bei der eine Abtasteinheit senkrecht zur Messrichtung mehrere Abtastbereiche aufweist, die mehrere parallel verlaufende Teilungsspuren gleichzeitig abtasten. Die Abtastsignale werden genutzt, um Schwingungen der Abtasteinheit gegenüber der Maßverkörperung zu detektieren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der die Verkippung der Abtasteinheit relativ zum Maßstab ermittelbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Details dieser Schaltungsanordnung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung der Verkippung der Abtasteinheit relativ zum Maßstab anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Details des Verfahrens ergeben sich aus den von Anspruch 9 abhängigen Ansprüchen.
Es wird nun eine Schaltungsanordnung zur Kippfehlerermittlung an einer Positionsmesseinrichtung vorgeschlagen, bei der die Positionsmesseinrichtung wenigstens eine Inkrementalspur auf einer Maßverkörperung aufweist, die von einer Abtasteinrichtung ablesbar ist, die in einer Messrichtung relativ zur Maßverkörperung beweglich ist, bei der die Führung der Abtasteinrichtung an der Maßverkörperung erfolgt und die Abtasteinrichtung gegenüber der Maßverkörperung um einen während der Relativbewegung veränderlichen Verkippungswinkel gedreht ist. Die Abtasteinrichtung weist senkrecht zur Messrichtung einen ersten Abtastbereich und einen zweiten Abtastbereich auf, wodurch beim Ablesen der wenigstens einen Inkrementalspur mit dem ersten Abtastbereich wenigstens ein erstes Positionssignal und mit dem zweiten Abtastbereich wenigstens ein zweites Positionssignal generierbar ist. Erfindungsgemäß wird in einer Arithmetikeinheit aus dem wenigstens einen ersten Positionssignal und dem wenigstens einen zweiten Positionssignal durch Additions- und/oder Subtraktionsoperationen wenigstens zwei Kippfehlersignale erzeugt, deren Amplitude von einem Kippwinkel bestimmt ist, der ein Maß für den Verkippungswinkel ist.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Figurenliste

1a eine schematische Darstellung einer idealen Anordnung einer Maßverkörperung und einer Abtasteinrichtung eines erfindungsgemäßen Positionsmessgeräts,
1b eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Maßverkörperung und einer Abtasteinrichtung eines erfindungsgemäßen Positionsmessgeräts, bei dem die Abtasteinrichtung gegenüber der Maßverkörperung eine Verkippung aufweist,
2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ermittlung eines Kippfehlerwertes,
3a ein erstes Beispiel für eine Arithmetikeinheit,
3b ein zweites Beispiel für eine Arithmetikeinheit,
4 ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Kippfehlerwertes und
5 ein vereinfachtes Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Kippfehlerwertes.

In der Beschreibung der Figuren werden Elemente in den bevorzugten Ausführungsformen, die die gleiche oder ähnliche Funktion aufweisen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine wiederholte ausführliche Beschreibung dieser Elemente wird weggelassen.
In 1a ist als Positionsmesseinrichtung 1 eine Längenmesseinrichtung 1, bzw. die hier relevanten Bestandteile der Längenmesseinrichtung 1, eine Maßverkörperung in Form eines Maßstabs 10 und eine Abtasteinrichtung 20, dargestellt. Der Maßstab 10 weist eine Inkrementalspur 11 und eine Absolutspur 12 auf. Die Gitterstriche 13 der Inkrementalspur 11 verlaufen quer zur Messrichtung X und weisen einen gleichen Abstand zueinander auf. Die absoluten Positionswerte der Absolutspur 12 sind als serieller Code ausgeführt. Derartige Codes sind auch unter der Bezeichnung Pseudo-Random-Codes (PRC) bekannt. Selbstverständlich kann die Absolutspur 12 auch parallel codiert sein, also aus mehreren, in Messrichtung X parallel verlaufenden Teilungsspuren bestehen.
Weitere Beispiele für Längenmesseinrichtungen 1 sind in der EP 0 555 507 B1 beschrieben, insbesondere in den 1, 3, 4 und 5.
Die Abtasteinrichtung 20 wird in nicht näher gezeigter Weise parallel zum Maßstab 10 geführt. Sie weist zur Abtastung der Inkrementalspur 11 einen ersten Abtastbereich 21 mit Abtastfeldern 22, 23, 24, 25, sowie einen zweiten Abtastbereich 31 mit Abtastfeldern 32, 33, 34, 35 auf. Der erste Abtastbereich 21 und der zweite Abtastbereich 31 sind senkrecht zur Messrichtung X angeordnet und haben zueinander einen Abstand a.
Bei idealer Führung der Abtasteinrichtung 20 gegenüber dem Maßstab 10 generieren die Abtastfelder 22, 23, 24, 25 erste Positionssignale 40, 41, 42, 43, die um je 90° zueinander phasenverschoben sind. Anders ausgedrückt können den ersten Positionssignalen 40, 41, 42, 43, Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° zugeordnet werden. Die Abtastfelder 32, 33, 34, 35 generieren dazu korrespondierende zweite Positionssignale 50, 51, 52, 53.
Zur Abtastung der Absolutspur 12 dient ein dritter Abtastbereich 60 mit Abtastfeldern 61 - 68, die die Codesegmente der Absolutspur 12 in bekannter Weise ablesen. In der Praxis werden die von der Absolutspur 12 abgelesenen Codeworte zur Ermittlung einer Grobposition verwendet, deren Genauigkeit durch die Auswertung der von der Inkrementalspur 11 gewonnenen Positionssignale resultierenden Feinposition verbessert wird. Dabei ist es wichtig, dass jedem Codewort der Absolutspur 12 eindeutig eine Position auf der Inkrementalspur 11 zugeordnet werden kann. Man spricht dabei auch von einem Codeanschluss. Solange die Führung der Abtasteinrichtung 20 gegenüber dem Maßstab 10, wie in 1a gezeigt, ideal ist, ist der Codeanschluss problemlos durchführbar. In der Praxis ist die Abtasteinrichtung 20 gegenüber dem Maßstab 10 jedoch, wie in 1b dargestellt, meist um einen Verkippungswinkel Θ gedreht. Der Verkippungswinkel Θ ist in Fachkreisen auch als Moirefehler bekannt. Ursachen hierfür können zum einen beispielsweise Ungenauigkeiten beim Anbau der Abtasteinrichtung 20 sein, die einen Verkippungswinkel Θ erzeugen, der über die Messlänge konstant ist. Zum andern aber führen Verbiegungen des Maßstabs 10 quer zur Messrichtung X, oder Führungsfehler der Abtasteinrichtung 20 gegenüber dem Maßstab 10, zu einer kontinuierlichen Änderung des Verkippungswinkel Θ über die Messlänge. Um dennoch einen korrekten Codeanschluss zu ermöglichen, ist es also notwendig, den Verkippungswinkel Θ während der Relativbewegung der Abtasteinrichtung 20 gegenüber dem Maßstab 10 kontinuierlich zu ermitteln.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ermittlung eines Kippfehlerwertes, der ein Maß für den Verkippungswinkel Θ ist. Die Eingangssignale der Schaltungsanordnung bilden die ersten Positionssignale 40, 41, 42, 43 sowie die zweiten Positionssignale 50, 51, 52, 53, die bei der Abtastung des Maßstabes der in 1a, bzw. 1b beschriebenen Längenmesseinrichtung 1 mit der Abtasteinrichtung 20 gewonnen werden. Je nachdem, welches Abtastprinzip in der Positionsmesseinrichtung zum Einsatz kommt, kann es sich bei den Positionssignalen um Strom- oder Spannungssignale handeln. Handelt es sich, wie bei optischen Positionsmesseinrichtungen üblich, um Stromsignale, werden diese in einer optional vorhandenen Strom-/Spannungswandlereinheit 80 zuerst in Spannungssignale umgewandelt und dann einer Arithmetikeinheit 100 zugeführt. In der weiteren Beschreibung werden die aus den ersten Positionssignalen 40, 41, 42, 43 resultierenden Spannungssignale entsprechend ihrer Phasenlage als erstes 0°-Signal V0_1, erstes 90°-Signal V90_1, erstes 180°-Signal V180_1 und erstes 270°-Signal V270_1 bezeichnet. Analog dazu erhalten die aus den zweiten Positionssignalen 50, 51, 52, 53 resultierenden Spannungssignale die Bezeichnungen zweites 0°-Signal V0_2, zweites 90°-Signal V90_2, zweites 180°-Signal V180_2 und zweites 270°-Signal V270_2.
Die ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und die zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 sind weitgehend sinusförmig und haben, bedingt durch den symmetrischen Aufbau, die gleiche Signalamplitude VAC und weisen einen identischen Gleichspannungsanteil (Offsetspannung) VDC auf. Die Ortsabhängigkeit der Positionssignale ist durch einen Phasenwert α bestimmt, der zwischen zwei Gitterstrichen 13 der abgetasteten Inkrementalspur 11-Phasenwerte von 0°-360° durchläuft. Da die Gitterperiode, also der Abstand zwischen den Gitterstrichen der Inkrementalteilung 11 bekannt ist, können die Phasenwerte in Entfernungswerte umgerechnet werden. Tritt infolge von Führungsfehlern eine Verkippung der Abtasteinrichtung 20 in Bezug auf den Maßstab auf, entsteht eine Phasenverschiebung zwischen den ersten Positionssignalen V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und den zweiten Positionssignalen V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 in Form eines Kippwinkels φ. Aufgrund des bekannten Abstands a zwischen dem ersten Abtastbereich 21 und dem zweiten Abtastbereich 31 kann mit Hilfe des Kippwinkels φ der Verkippungswinkel Θ zwischen der Abtasteinrichtung 20 und dem Maßstab 10 errechnet werden.
Zur Vereinfachung wird für die folgenden Betrachtungen angenommen, dass sich der Kippwinkel φ je zur Hälfte auf die ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und die zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 auswirkt. Das bedeutet, die ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 erfahren eine Phasenverschiebung um +φ/2, die zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 eine Phasenverschiebung um -φ/2.
Die ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 können somit weitgehend mit den folgenden Gleichungen beschrieben werden: $V 0_1 = V_{A C} \cdot sin (α + \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
$V 90_1 = - V_{A C} \cdot cos (α + \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
$V 180_1 = - V_{A C} \cdot sin (α + \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
$V 270_1 = V_{A C} \cdot cos (α + \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
Analog dazu können die zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden: $V 0_2 = V_{A C} \cdot sin (α - \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
$V 90_2 = - V_{A C} \cdot cos (α - \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
$V 180_2 = - V_{A C} \cdot sin (α - \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
$V 270_2 = V_{A C} \cdot cos (α - \frac{φ}{2}) + V_{D C}$
In der Arithmetikeinheit 100 werden die vier ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und die vier zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 zu einem ersten Kippfehlersignal VK1 verarbeitet, dessen Amplitude im Wesentlichen von der Größe des Kippwinkels φ bestimmt wird.
Die Arithmetikeinheit 100 kann beispielsweise aus einem Addier- und/oder Differenzverstärker bestehen, der so ausgestaltet ist, dass er wenigstens eines der ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und eines der zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 addiert oder deren Differenz bildet. Die Summe oder die Differenz von zwei sinusförmigen Signalen mit gleicher Amplitude und Frequenz ergibt stets wieder ein sinusförmiges Signal, das die gleiche Frequenz wie die ursprünglichen Signale aufweist, dessen Amplitude jedoch von der Phasenlage der ursprünglichen Signale abhängt. So führt die Addition von zwei Signalen mit gleicher Phasenlage zu einer Verdoppelung des Ausgangssignals, wird die Differenz gebildet ergibt sich eine Auslöschung der Signale, da die Amplitude des Ausgangssignals zu 0 wird.
Das Ausgangssignal der Arithmetikeinheit 100 ist deshalb wiederum sinusförmig und weist die gleiche Frequenz auf wie die Eingangssignale. Die Amplitude des Ausgangssignals ist dagegen sowohl von der Phasenlage der Eingangssignale ohne Einfluss eines Führungsfehlers, als auch vom Wert des Kippwinkels φ abhängig. Dieser Zusammenhang soll an zwei Beispielen gezeigt werden.
Beispiel 1:
Eine Variante für den Aufbau der Arithmetikeinheit 100 für das Beispiel 1 ist in 3a dargestellt. Es handelt sich um eine dem Fachmann bekannte Differenzverstärkerschaltung, die dazu geeignet ist, die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen zu bilden.
Die Eingangssignale der Arithmetikeinheit 100 bilden das erste 0°-Signal V0_1 und das zweite 0°-Signal V0_2. Am Ausgang der Arithmetikeinheit 100 wird das erste Kippfehlersignal VK1 gebildet. Unter Verwendung von Gleichung 1.1 und Gleichung 2.1 ergibt sich $V_{K 1} = V 0_1 - V 0_2 = 2 \cdot V_{A C} \cdot sin (\frac{φ}{2}) \cdot cos (α)$
Die Verwendung von zwei gleichphasigen Eingangssignalen ist besonders vorteilhaft, da die Amplitude des ersten Kippfehlersignals VK1 in diesem Fall lediglich vom Sinus des Kippwinkels φ abhängt. Das bedeutet, dass die Amplitude des ersten Kippfehlersignals VK1 bei einem Kippwinkel φ = 0° zu 0 wird. Außerdem ist das erste Kippfehlersignal VK1 vorzeichenbehaftet, positive Werte des Kippwinkels φ führen zu einem positiven Wert der Amplitude, negative Werte zu einem negativen Wert der Amplitude. Darüber hinaus kann das erste Kippfehlersignal VK1 in diesem Fall besonders gut ausgewertet werden, da seine Steigung bei kleinen Kippwinkeln φ sehr groß ist.
Durch die Bildung der Differenz der Eingangssignale ergibt sich ein weiterer Vorteil, es werden dadurch die Gleichspannungsanteile V_DC eliminiert und die weitere Verarbeitung des ersten Kippfehlersignals VK1 somit vereinfacht.
Beispiel 2:
3b zeigt einen weiteren prinzipiellen Aufbau einer Arithmetikeinheit 100. Es handelt sich in diesem Fall um einen Differenzverstärker mit acht Eingängen, der am Ausgang die Differenz aus der Summe der vier oberen Eingangssignale und der Summe der vier unteren Eingangssignale bildet. Derartige Differenzverstärker sind auch als Mehrfach-Subtrahierer bekannt. Für die Bildung des ersten Kippfehlersignals VK1 werden jetzt die vier ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und die vier zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 verwendet. Als Ergebnis für das erste Kippfehlersignal VK1 ergibt sich in diesem Fall folgendes: $\begin{array}{l} V_{K 1} = (V 0_1 + V 180_2 + V 90_1 + V 270_2) - (V 0_2 + V 180_1 + V 270_1 + V 90_2) \\ = \sqrt{2} \cdot 4 \cdot V_{A C} \cdot sin (\frac{φ}{2}) \cdot sin (α + 45 °) \end{array}$
Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie in Beispiel 1, der Gleichspannungsanteil VDC wird eliminiert, da die Differenz aus einer gleichen Anzahl von Signalen gebildet wird. Wiederum hängt die Änderung der Amplitude des ersten Kippfehlersignals VK1 lediglich vom Sinus des Kippwinkels φ ab. Durch den im Vergleich zu Gleichung 3.1 erheblich höheren Amplitudenwert ergibt sich zusätzlich ein wesentlich größeres erstes Kippfehlersignal VK1, wodurch dessen Auswertung weiter erleichtert wird. Außerdem ergibt sich durch die Verwendung der vier ersten Positionssignale V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und der vier zweiten Positionssignale V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 eine Signalmittelung, die zu einer Verringerung von Störeinflüssen führt, die auf einzelnen Signalen enthalten sein können.
Das erste Kippfehlersignal VK1 ist an den Eingang einer Auswerteeinheit 120 geschaltet, die aus dem ersten Kippfehlersignal VK1 den Kippfehlerwert VR ermittelt. Je nach Ausgestaltung der Auswerteeinheit 120 kann es sich beim Kippfehlerwert VR um einen analogen oder digitalen Wert handeln. Analoge Kippfehlerwerte VR können beispielsweise durch einen Spitzenwert-Detektor ermittelt werden, digitale mittels eines Analog/Digitalwandlers.
Der Kippfehlerwert VR wird zur weiteren Verarbeitung einer Verarbeitungseinheit 150 zugeführt.
Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Kippfehlerwertes VR ist in 4 dargestellt. Die Arithmetikeinheit 100 enthält in diesem Beispiel einen ersten Differenzverstärker 101 und einen zweiten Differenzverstärker 102. Der erste Differenzverstärker 101 bildet aus dem ersten 0°-Signal V0_1 und dem zweiten 0°-Signal V0_2 gemäß Gleichung 3.1 ein erstes Kippfehlersignal VK1. Dem zweiten Differenzverstärker 102 sind das erste 90°-Signal V90_1 und das zweite 90°-Signal V90_2 zugeführt. Er erzeugt ein zweites Kippfehlersignal VK2 gemäß der folgenden Gleichung: $V_{K 2} = V 90_1 - V 90_2 = 2 \cdot V_{A C} \cdot sin (\frac{φ}{2}) \cdot sin (α)$
Das erste Kippfehlersignal VK1 und das zweite Kippfehlersignal VK2 weisen die gleiche Amplitude auf und sind um 90° phasenverschoben. Sie können somit als kartesische Koordinaten eines komplexen Positionssignals betrachtet werden.
Aus dem ersten Kippfehlersignal VK1 und dem zweiten Kippfehlersignal VK2 kann nun in der Auswerteeinheit 120 ein Kippfehlerwert VR bestimmt werden, indem zum Beispiel der Betrag des komplexen Positionssignals ermittelt wird: $V_{R} = \sqrt{{(V_{K 1})}^{2} + {(V_{K 2})}^{2}} = 2 \cdot V_{A C} \cdot sin (\frac{φ}{2})$
Der Kippfehlerwert VR wird, wie bereits in 2 gezeigt, zur weiteren Verarbeitung an eine Verarbeitungseinheit 150 ausgegeben.
5 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Kippfehlerwertes VR. In der Arithmetikeinheit 100 wird mit einem ersten Differenzverstärker 101, der vier Eingänge aufweist, aus dem ersten 0°-Signal V0_1, dem zweiten 0°-Signal V0_2, dem ersten 180°-Signal V180_1 und dem zweiten 180°-Signal V180_2 ein erstes Kippfehlersignal VK1 nach folgender Gleichung erzeugt: $V_{K 1} = (V 0_1 + V 180_2) - (V 0_2 + V 180_1) = 4 \cdot V_{A C} \cdot sin (\frac{φ}{2}) \cdot cos (α)$
Weiter werden in einem zweiten Differenzverstärker 102 aus dem ersten 90°-Signal V90_1, dem zweiten 90°-Signal V90_2, dem ersten 270°-Signal V270_1 und dem zweiten 270°-Signal V270_2 ein zweites Kippfehlersignal VK2 und ein drittes Kippfehlersignal VK3 erzeugt. Das zweite Kippfehlersignal VK2 kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: $V_{K 2} = (V 270_1 + V 270_2) - (V 90_1 + V 90_2) = 4 \cdot V_{A C} \cdot cos (\frac{φ}{2}) \cdot cos (α)$
Bei dem dritten Kippfehlersignal VK3 handelt es sich um das invertierte zweite Kippfehlersignal VK2. $V_{K 3} = - V_{K 2} = - 4 \cdot V_{A C} \cdot cos (\frac{φ}{2}) \cdot cos (α)$
Die Kippfehlersignale VK1, VK2 und VK3 werden wiederum zur Erzeugung des Kippfehlerwertes VR an die Auswerteeinheit 120 ausgegeben.
Die Auswerteeinheit 120 in diesem Ausführungsbeispiel berücksichtigt, dass die Amplituden VAC der Positionssignale in der Regel temperaturabhängig sind. Um diese Temperaturabhängigkeit zu eliminieren, bildet die Auswerteeinheit 120 den Quotienten aus dem ersten Kippfehlersignal VK1 und dem zweiten Kippfehlersignal VK2. $V_{R} = \frac{4 \cdot V_{A C} \cdot sin (\frac{φ}{2}) \cdot cos (α)}{4 \cdot V_{A C} \cdot cos (\frac{φ}{2}) \cdot cos (α)} = tan (\frac{φ}{2})$
Das erste Kippfehlersignal VK1 und das zweite Kippfehlersignal VK2 haben die gleiche Phasenlage. Da die Amplitude des ersten Kippfehlersignals VK1 vom Sinus des Kippwinkels φ, die Amplitude des zweiten Kippfehlersignals VK2 jedoch vom Kosinus des Kippwinkels φ abhängt, entfällt, wie aus Gleichung 5.4 ersichtlich, die Abhängigkeit des Kippfehlerwertes VR von der Amplitude VAC und damit auch deren Temperaturabhängigkeit. Darüber hinaus entfällt auch die Abhängigkeit des Kippfehlerwertes VR vom Phasenwert α.
In der Auswerteeinheit 120 befindet sich ein Spannungsteiler 121, an dessen äußeren Anschlüssen das zweite Kippfehlersignal VK2 und das dritte Kippfehlersignal VK3 angeschlossen sind. Der Spannungsteiler 121 verfügt über eine Vielzahl von Abgriffen 121.1, 121.2, 121.3, ..., 121.n, von denen jeweils einer von einer Schalteinheit 122 selektierbar und als Referenzsignal zu einem ersten Eingang eines Komparators 123 schaltbar ist. Der zweite Eingang des Komparators 123 ist mit dem ersten Kippfehlersignal VK1 verbunden. Der Ausgang des Komparators 123 bestimmt die Zählrichtung einer Zählereinheit 124, deren Zählerstand zum einen den Kippfehlerwert VR darstellt und zum anderen der Schalteinheit 122 zugeführt ist und bestimmt, welcher der Abgriffe 121.1, 121.2, 121.3, ..., 121.n zum Komparator 123 geschaltet wird. Die Auswahl der Abgriffe 121.1, 121.2, 121.3, ..., 121.n erfolgt so, dass sich das Referenzsignal der Amplitude des ersten Kippfehlersignals VK1 annähert.
Die Zählereinheit 124 erhält von einer Triggereinheit 125 Zählimpulse, die bestimmen, zu welchen Zeitpunkten ein Zählvorgang ausgelöst wird, d.h. zu welchen Zeitpunkten die Zählereinheit 124 in Abhängigkeit vom Vergleich des ersten Kippfehlersignals VK1 mit der Spannung am aktuell von der Schalteinheit 122 ausgewählten Abgriff 121.1, 121.2, 121.3, ..., 121.n des Spannungsteilers 121 um einen Zählschritt auf- oder abwärts zählt. Um eine hohe Genauigkeit des Vergleichs zu erreichen, ist es besonders günstig, den Vergleich und den daraus resultierenden Zählvorgang zu einem Zeitpunkt durchzuführen, an dem das erste Kippfehlersignal VK1 einen großen Betrag hat. Wie aus Gleichung 5.1 ersichtlich, ist das bei einem Phasenwert α von 0° (positives Maximum des ersten Kippfehlersignals VK1) oder 180° (negatives Maximum des ersten Kippfehlersignals VK1) der Fall.
Um zu einem dieser Phasenwerte α einen Zählimpuls zu erzeugen, wird in der Triggereinheit 125 die Tatsache genutzt, dass aus den ersten Positionssignalen V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und den zweiten Positionssignalen V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 auch Kippfehlersignale erzeugt werden können, die gegenüber dem ersten Kippfehlersignal VK1 um 90° phasenverschoben sind und somit zum Zeitpunkt eines Maximums bzw. eines Minimums einen Nulldurchgang aufweisen.
Die Triggereinheit 125 enthält einen dritten Differenzverstärker 126, an dessen Eingängen das erste 0°-Signal V0_1 und das zweite 180°-Signal V180_2 angeschlossen sind. Am Ausgang des dritten Differenzverstärkers 126 entsteht ein Triggersignal VT entsprechend der Gleichung: $V_{T} = V 0_1 - V 180_2 = 2 \cdot V_{A C} \cdot cos (\frac{φ}{2}) \cdot sin (α)$
Die Amplitude des Triggersignals VT hängt vom Kosinus des Kippwinkels φ ab. Das ist besonders vorteilhaft, da in diesem Fall auch bei sehr kleinen Kippwinkeln φ eine große Signalamplitude zur Auswertung zur Verfügung steht. Außerdem ist das Triggersignal VT gegenüber dem ersten Kippfehlersignal VK1 um 90° phasenverschoben, es weist also Nulldurchgänge auf, wenn das erste Kippfehlersignal VK1 sein positives oder negatives Maximum erreicht. Das Triggersignal VT ist an einen Nulldurchgangsdetektor 127 angeschlossen, der bei einem positiven Nulldurchgang eine positive und bei einem negativen Nulldurchgang eine negative Signalflanke ausgibt. Welche der Signalflanken als Zählimpuls für die Zählereinheit 124 dient, hängt davon ab, ob der Maximal- oder der Minimalwert des ersten Kippfehlersignals VK1 für die Ermittlung des Kippfehlerwerts VR verwendet wird.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass für die Erzeugung der Kippfehlersignale VK1, VK2, VK3 auch andere Kombinationen von ersten Positionssignalen V0_1, V90_1, V180_1, V270_1 und zweiten Positionssignalen V0_2, V90_2, V180_2, V270_2 als in den beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung ist sowohl für Längenmesssysteme als auch für Winkelmesssysteme geeignet.

Claims

Schaltungsanordnung zur Kippfehlerermittlung an einer Positionsmesseinrichtung (1) mit wenigstens einer Inkrementalspur (11) auf einer Maßverkörperung (10), die von einer Abtasteinrichtung (20) abgelesen wird, die in einer Messrichtung (X) relativ zur Maßverkörperung (10) beweglich ist, bei der die Führung der Abtasteinrichtung (20) an der Maßverkörperung (10) erfolgt und die Abtasteinrichtung (20) gegenüber der Maßverkörperung (10) um einen während der Relativbewegung veränderlichen Verkippungswinkel (Θ) gedreht ist, wobei ➢ die Abtasteinrichtung (20) senkrecht zur Messrichtung (X) einen ersten Abtastbereich (21) und einen zweiten Abtastbereich (31) aufweist, ➢ beim Ablesen der wenigstens einen Inkrementalspur (11) mit dem ersten Abtastbereich (21) wenigstens ein erstes Positionssignal (40, 41, 42, 43) und mit dem zweiten Abtastbereich (31) wenigstens ein zweites Positionssignal (50, 51, 52, 53) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ➢ das wenigstens eine erste Positionssignal (40, 41, 42, 43) und das wenigstens eine zweite Positionssignal (50, 51, 52, 53) einer Arithmetikeinheit (100) zugeführt sind, mit der aus dem wenigstens einen ersten Positionssignal (40, 41, 42, 43) und aus dem wenigstens einen zweiten Positionssignal (50, 51, 52, 53) durch Additions- und/oder Subtraktionsoperationen wenigstens zwei Kippfehlersignale (VK1, VK2, VK3) erzeugt werden, deren Amplitude von einem Kippwinkel (φ) bestimmt wird, der ein Maß für den Verkippungswinkel (Θ) ist und ➢ die Arithmetikeinheit (100) einen ersten Differenzverstärker (101) zur Bildung eines ersten Kippfehlersignals (VK1) und einen zweiten Differenzverstärker (102) zur Bildung eines zweiten Kippfehlersignals (VK2) enthält und ➢ in einer Auswerteeinheit (120) aus den wenigstens zwei Kippfehlersignalen (VK1, VK2, VK3) ein Kippfehlerwert (VR) ermittelt wird, der dem Verkippungswinkel (Θ) entspricht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kippfehlersignal (VK1) und das zweite Kippfehlersignal (VK2) eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen und in der Auswerteeinheit (120) der Betrag des vom ersten Kippfehlersignal (VK1) und vom zweiten Kippfehlersignal (VK2) gebildeten komplexen Positionssignals ermittelt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kippfehlersignal (VK1) vom Sinus des Kippwinkels (φ) und das zweite Kippfehlersignal (VK2) vom Kosinus des Kippwinkels (φ) abhängt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (120) als Kippfehlerwert (VK) der Quotient aus dem ersten Kippfehlersignal (VK1) und dem zweiten Kippfehlersignal (VK2) ermittelt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Differenzverstärker (102) weiter ein drittes Kippfehlersignal (VK3) erzeugt, das zum zweiten Kippfehlersignal (VK2) eine Phasenverschiebung von 180° aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (120) eine Zählereinheit (124) enthält, deren Ausgang der Kippfehlerwert (VR) ist, dass die Zählrichtung der Zähleinheit (124) vom Ausgang eines Komparators (123) bestimmt ist, an dessen Eingänge das erste Kippfehlersignal (VK1) und ein Referenzsignal geschaltet sind, dass von einer Triggereinheit (125) bei einem Maximum oder Minimum des ersten Kippfehlersignals (VK1) ein Zählimpuls für die Zählereinheit (124) generiert wird und das Referenzsignal aufgrund des Zählerstands der Zählereinheit (124) so verändert wird, dass sich das Referenzsignal und die Amplitude des ersten Kippfehlersignals (VK1) annähern.
Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kippfehlersignal (VK2) und das dritte Kippfehlersignal (VK3) in der Auswerteeinheit (120) an die äußeren Anschlüsse eines Spannungsteilers (121) angeschlossen sind, der n Abgriffe (121.1, 121.2, 121.3,... 121.n) aufweist, dass jeweils einer der Abgriffe (121.1, 121.2, 121.3,... 121.n) mittels einer Schalteinheit (122) als Referenzsignal zum Komparator (123) geschaltet wird und der Schalteinheit (123) zur Auswahl des Abgriffs (121.1, 121.2, 121.3,... 121.n) der Zählerstand der Zählereinheit (124) zugeführt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggereinheit (125) einen dritten Differenzverstärker (126) und einen Nulldurchgangsdetektor (127) enthält, der dritte Differenzverstärker (126) aus wenigstens einem ersten Positionssignal (40, 41, 42, 43) und wenigstens einem zweiten Positionssignal (50, 51, 52, 53) ein Triggersignal (VT) erzeugt, das gegenüber dem ersten Kippfehlersignal (VK1) um 90° phasenverschoben ist und das Triggersignal (VT) dem Nulldurchgangsdetektor (127) zugeführt ist, der bei einem positiven oder negativen Nulldurchgang des Triggersignals (VT) einen Zählimpuls an die Zählereinheit (124) ausgibt.
Verfahren zur Kippfehlerermittlung an einer Positionsmesseinrichtung (1) mit wenigstens einer Inkrementalspur (11) auf einer Maßverkörperung (10), die von einer Abtasteinrichtung (20) ablesbar ist, die in einer Messrichtung (X) relativ zur Maßverkörperung (10) beweglich ist, bei der die Führung der Abtasteinrichtung (20) an der Maßverkörperung (10) erfolgt und die Abtasteinrichtung (20) gegenüber der Maßverkörperung (10) um einen während der Relativbewegung veränderlichen Verkippungswinkel (Θ) gedreht ist, wobei ➢ die Abtasteinrichtung (20) senkrecht zur Messrichtung (X) einen ersten Abtastbereich (21) und einen zweiten Abtastbereich (31) aufweist, ➢ beim Ablesen der wenigstens einen Inkrementalspur (11) mit dem ersten Abtastbereich (21) wenigstens ein erstes Positionssignal (40, 41, 42, 43) und mit dem zweiten Abtastbereich (31) wenigstens ein zweites Positionssignal (50, 51, 52, 53) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ➢ in einer Arithmetikeinheit (100) aus dem wenigstens einen ersten Positionssignal (40, 41, 42, 43) und dem wenigstens einen zweiten Positionssignal (50, 51, 52, 53) durch Additions- und/oder Subtraktionsoperationen wenigstens zwei Kippfehlersignale (VK1, VK2, VK3) erzeugt werden, deren Amplitude von einem Kippwinkel (φ) bestimmt wird, der ein Maß für den Verkippungswinkel (Θ) ist und > in der Arithmetikeinheit (100) mit einem ersten Differenzverstärker (101) ein erstes Kippfehlersignal (VK1) und mit einem zweiten Differenzverstärker (102) ein zweites Kippfehlersignal (VK2) erzeugt werden und ➢ in einer Auswerteeinheit (120) aus den wenigstens zwei Kippfehlersignalen (VK1, VK2, VK3) ein Kippfehlerwert (VR) ermittelt wird, der dem Verkippungswinkel (Θ) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kippfehlersignal (VK1) und das zweite Kippfehlersignal (VK2) eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen und in der Auswerteeinheit (120) als Kippfehlerwert (VR) der Betrag des vom ersten Kippfehlersignal (VK1) und vom zweiten Kippfehlersignal (VK2) gebildeten komplexen Positionssignals ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kippfehlersignal (VK1) vom Sinus des Kippwinkels (φ) und das zweite Kippfehlersignal (VK2) vom Kosinus des Kippwinkels (φ) abhängt und in der Auswerteeinheit (120) zur Ermittlung des Kippfehlerwertes (VR) der Quotient aus dem ersten Kippfehlersignal (VK1) und dem zweiten Kippfehlersignal (VK2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Vergleich des ersten Kippfehlersignals (VK1) mit einem Referenzsignal in einem Komparator (123) die Zählrichtung einer Zählereinheit (124), deren Zählerstand der Kippfehlerwert (VR) ist, festgelegt wird, dass eine Triggereinheit (125) bei einem Maximum oder Minimum des ersten Kippfehlersignals (VK1) einen Zählimpuls an die Zählereinheit (124) sendet und das Referenzsignal aufgrund des Zählerstands der Zählereinheit (124) so verändert wird, dass sich das Referenzsignal und die Amplitude des ersten Kippfehlersignals (VK1) annähern.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Arithmetikeinheit (100) weiter ein drittes Kippfehlersignal (VK3) gebildet wird, dass gegenüber dem zweiten Kippfehlersignal (VK2) eine Phasenverschiebung von 180° aufweist und das zweite Kippfehlersignal (VK2) und das dritte Kippfehlersignal (VK3) in der Auswerteeinheit (120) an die äußeren Anschlüsse eines Spannungsteilers (121) angeschlossen sind, der n Abgriffe (121.1, 121.2, 121.3,... 121.n) aufweist, dass jeweils einer der Abgriffe (121.1, 121.2, 121.3,... 121.n) mittels einer Schalteinheit (122) als Referenzsignal zum Komparator (123) schaltbar ist und der Schalteinheit (123) zur Auswahl des Abgriffs (121.1, 121.2, 121.3,... 121.n) der Zählerstand der Zählereinheit (124) zugeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Triggereinheit (125) mittels eines dritten Differenzverstärkers (126) aus wenigstens einem ersten Positionssignal (40, 41, 42, 43) und wenigstens einem zweiten Positionssignal (50, 51, 52, 53) ein Triggersignal (VT) erzeugt wird, das gegenüber dem ersten Kippfehlersignal (VK1) um 90° phasenverschoben ist und das Triggersignal (VT) einem Nulldurchgangsdetektor (127) zugeführt ist, der bei einem positiven oder negativen Nulldurchgang des Triggersignals (VT) einen Zählimpuls an die Zählereinheit (124) ausgibt.
Positionsmesseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schaltungsanordnung zur Kippfehlerermittlung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.