DE102006059491B3 - Pitch circle calibrating method for industrial application, involves determining pitch variation-differences for pitch interval, and transforming transformation-coefficients of pitch variations from frequency space into local space - Google Patents

Pitch circle calibrating method for industrial application, involves determining pitch variation-differences for pitch interval, and transforming transformation-coefficients of pitch variations from frequency space into local space Download PDF

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Abstract

The method involves determining pitch variation-differences for a pitch interval (7), and transforming the pitch variation-differences relative to lower pitch circles from a local space into a frequency space. Transformation-coefficients of pitch variations relative to the lower pitch circles are calculated from a transformation result. Transformation-coefficients of the pitch variations relative to a pitch circle (6) are transformed from the frequency space into the local space.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibrierung von Teilkreisen für die Winkelmessung eines um eine Achse drehbar gelagerten Objektes, bei dem der Teilkreis in eine Anzahl N im Wesentlichen gleichmäßiger Teilungsintervalle geteilt ist.The The invention relates to a method for self-calibration of pitch circles for the Angle measurement of a rotatably mounted about an axis object at the pitch circle into a number N of substantially uniform pitch intervals shared.

Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Selbstkalibrierung von Teilkreisen für die Winkelmessung eines um eine Achse drehbar gelagerten Objektes.Further The invention relates to a device for self-calibration of Subcircuits for the angle measurement of a rotatably mounted about an axis object.

Teilkreise sind Winkelmaßverkörperungen, bei denen ein Kreis in eine definierte Anzahl N von Teilungsintervallen gleichmäßig und messbar geteilt ist. Sie bilden die Grundlage der Winkelmesstechnik durch Rückführung auf den Vollwinkel 2π rad = 360° und sind überwiegend als radiale Gitterteilscheiben in Winkelencodern und in Messgeräten, wie z. B. Theodoliten, gebräuchlich. Auch durch Flächenkreisteilungen wie Spiegelpolygone oder Zahnräder werden Teilkreise gebildet.partial circles are angular scale embodiments, where a circle is in a defined number N of pitch intervals evenly and is measurably shared. They form the basis of the angle measurement technology by returning to the full angle 2π rad = 360 ° and are predominantly as radial grating washers in angle encoders and in measuring devices, such as z. B. Theodolites, in use. Also by area circle divisions like mirror polygons or gears Subcircles are formed.

Die herstellungs- und montagebedingten Teilungsabweichungen in Folge von Unregelmäßigkeiten der Teilungsintervalle, Exzentrizität der Teilscheibe und Rundheitsabweichungen der Drehachse führen zu einer nur im Wesentlichen gleichmäßigen Teilung des Teilkreises in Teilungsintervalle. Die Teilungsabweichungen lassen sich durch Anbringen von mehreren, im Allgemeinen mindestens 2 diametral angeordneten Abtastköpfen auf dem Umfang des Teilkreises mehr oder weniger kompensieren. Hierzu wird die Summe über die diskreten Messwerte der Abtastköpfe gebildet und somit bestimmte Komponenten der Teilungsabweichung eliminiert. Es gilt die mathematische Gesetzmäßigkeit, dass eine Anzahl von R gleichmäßig über dem Teilungsumfang angeordnete Abtastköpfe in ihrer Messwertsumme alle Fourierkoeffizienten oder Harmonischen der Teilungsabweichungen auslöschen, bis auf diejenigen der Ordnung R, 2R, 3R, ..., die aus dem diskreten Fourierspektrum herausgefiltert werden. Diese Technik wird bei genauen kommerziellen Winkelmessgeräten bis zu höchstens R = 4 Abtastköpfen angewandt. Bei Verwendung herkömmlicher Amplitudengitter wird hiermit eine Genauigkeit der Winkelmessung von etwa 0,5'' erreicht.The production and assembly-related division deviations in consequence of irregularities the pitch intervals, eccentricity of the disc and roundness deviations lead the axis of rotation to a substantially uniform division of the pitch circle in division intervals. The division deviations can be achieved by Attaching several, generally at least 2 diametrically arranged scanning heads Compensate more or less on the circumference of the pitch circle. For this is the sum over formed the discrete readings of the scanheads and thus certain Components of the pitch deviation eliminated. It applies the mathematical lawfulness that a number of R evenly over the Scope arranged scanning heads in their Sum Sum all Fourier coefficients or harmonics of the pitch deviations extinguish, except for those of order R, 2R, 3R, ..., which are from the discrete Fourier spectrum be filtered out. This technique is accurate at commercial angle encoders up to at most R = 4 scanheads applied. When using conventional Amplitude grating hereby becomes an accuracy of angle measurement of about 0.5 "reached.

Die Anforderungen an die Genauigkeit von Winkelmessungen nehmen auf vielen Gebieten wie der Astronomie, der Optik und der Lasertechnik sowie der Mikro- und Nanotechnik ständig zu. Mit Phasengittertechnik oder holografisch hergestellten Gittern können heute Winkelmessgeräte mit wesentlich höherer Teilungszahl, verbesserter Signalqualität und höherer elektronischer Interpolation hergestellt werden, mit denen im Prinzip eine Verringerung der Messunsicherheit auf weniger als 0,1'' erreichbar ist. Allerdings gelingt dies nur mit aufwendigen Kalibrierverfahren und dem Einhalten sehr enger Montagetoleranzen. Zur Selbstkalibrierung dieser Teilkreise werden so genannte Selbstkalibrierverfahren eingesetzt. Bei diesen handelt es sich um Kalibrierverfahren, bei denen sich die Teilkreise durch eine bestimmte Anordnung von Abtastköpfen selbst kalibrieren. Hierzu werden Differenzen und Summen der Messwerte der Abtastköpfe bestimmt und ausgewertet. Diese Verfahren sind jedoch aufwendig und unwirtschaftlich, so dass sie sich für eine industrielle Anwendung nicht eignen.The Precision requirements for angle measurements are increasing many fields such as astronomy, optics and laser technology as well as the micro and nano technology constantly too. With phase grating technology or holographically produced grids can today with angle measurement higher Division number, improved signal quality and higher electronic interpolation which, in principle, reduce the measurement uncertainty can be reached to less than 0.1 ". However, this only succeeds with elaborate calibration procedures and adherence to very tight assembly tolerances. For self-calibration of this Subcircuits use so-called self-calibration methods. These are calibration procedures in which the pitch circles through a particular array of scanheads themselves calibrate. For this differences and sums of the measured values are calculated the scanning heads determined and evaluated. However, these methods are expensive and uneconomical, so they are not suitable for industrial application suitable.

Ein Verfahren zur Selbstkalibrierung von Teilkreisen, das auf dem vorgenannten Prinzip beruht, ist in dem Artikel „Six Nanoradian in 2π Radian – A Primary Standard for Angle Measurement" von R. Probst und M. Krause, in Proc. of 2nd euspen International Conference – Turin, Italy – May 27th–31st, 2001, beschrieben. Bei dem dort vorgestellten Verfahren sind 16 Abtastköpfe um den Teilkreis angeordnet, von denen 8 Abtastköpfe für die Winkelmessung und weitere 8 Abtastköpfe allein für die Selbstkalibrierung zusammen mit den ersten 8 verwendet werden. 16 Abtastköpfe sind für einen industriellen Einsatz nicht geeignet. Weitere Verfahren zur Kalibrierung von Teilkreisen sind in den Druckschriften DE 197 20 968 A1 und US 2004/0107063 A1 dargestellt.A method for self-calibration of subcircuits based on the aforementioned principle is described in the article "Six Nanoradians in 2π Radian - A Primary Standard for Angle Measurement" by R. Probst and M. Krause, in the Proc. Of 2 nd euspen International Conference - Turin, Italy - May 27 th st -31, 2001. In the process presented therein 16 scanning heads are arranged around the pitch circle, from which 8 scanheads for angle measurement and another 8 scanheads used alone for the self-calibration, together with the first. 8 16 readheads are not suitable for industrial use Other methods of calibrating pitch circles are in the publications DE 197 20 968 A1 and US 2004/0107063 A1 shown.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Selbstkalibrierverfahren für Teilkreise in der Winkelmesstechnik und für verwandte Anwendungen bereitzustellen, das mit einer relativ geringen Anzahl von Abtastköpfen auskommt und mit dem sich die Teilungsabweichungen schnell und effizient ermitteln lassen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung für die Selbstkalibrierung von Teilkreisen in der Winkelmesstechnik und für verwandte Anwendungen bereitzustellen, das mit einer relativ geringen Anzahl von Abtastköpfen auskommt und mit dem sich die Teilungsabweichungen schnell und effizient ermitteln lassen.task Therefore, the present invention is a self-calibration method for subcircles in angle measurement and for To provide related applications with a relatively low Number of scanheads and with which the pitch deviations quickly and efficiently can be determined. Furthermore, it is an object of the present invention a facility for Self-calibration of subcircuits in angle measurement technology and for To provide related applications with a relatively low Number of scanheads and with which the pitch deviations quickly and efficiently can be determined.

Die Aufgabe wird durch ein eingangs erwähntes Verfahren erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

  • a) Der Teilkreis wird in einen ersten und einen zweiten Unterteilkreis zu den ganzzahligen, teilerfremden Faktoren R bzw. S, mit N = R·S, faktorzerlegt;
  • b) Für jedes Teilungsintervall wird eine Teilungsabweichungs-Differenz dk ermittelt;
  • c) Die Teilungsabweichungs-Differenzen dk werden bezüglich des ersten Unterteilkreises vom Ortsraum in den Frequenzraum transformiert;
  • d) Aus dem Transformationsergebnis werden Transformations-Koeffizienten
    Figure 00030001
    von Teilungsabweichungen fk bezüglich des ersten Unterteilkreises berechnet;
  • e) Die Transformations-Koeffizienten
    Figure 00040001
    der Teilungsabweichungen fk bezüglich des einen Unterteilkreises werden bezüglich des zweiten Unterteilkreises vom Ortsraum in den Frequenzraum transformiert, wodurch Transformations-Koeffizienten
    Figure 00050001
    der Teilungsabweichungen fk bezüglich des Teilkreises erhalten werden;
  • f) Die Transformations-Koeffizienten
    Figure 00050002
    der Teilungsabweichungen fk bezüglich des Teilkreises werden vom Frequenzraum in den Ortsraum transformiert, wodurch die Teilungsabweichungen fk erhalten werden.
The object is achieved by a method mentioned above according to the invention by the following steps:
  • a) The pitch circle is factored into a first and a second subcircuit to the integer, non-divisive factors R and S, respectively, where N = R * S;
  • b) For each division interval a division deviation difference d k is determined;
  • c) the pitch deviation differences d k are transformed from the spatial domain into the frequency domain with respect to the first subcircuit;
  • d) The transformation result becomes transformation coefficients
    Figure 00030001
    calculated from pitch deviations f k with respect to the first sub-pitch circle;
  • e) The transformation coefficients
    Figure 00040001
    the pitch deviations f k with respect to the one subcircuit are transformed with respect to the second subcircuit from the spatial domain into the frequency domain, whereby transformation coefficients
    Figure 00050001
    the pitch deviations f k are obtained with respect to the pitch circle;
  • f) The transformation coefficients
    Figure 00050002
    the pitch deviations f k with respect to the pitch circle are transformed from the frequency space to the location space, whereby the pitch deviations f k are obtained.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Selbstkalibrierung von Teilkreisen für die Winkelmessung ermöglicht es, mit einer relativ geringen Anzahl von Abtastköpfen (unter einem Abtastkopf ist auch ein Sensor zu verstehen) in nur einem Teilkreisumlauf die Teilungsabweichungen in einer relativ hohen Teilungszahl schnell und effizient zu ermitteln. Die Kalibrierung und Rekalibrierung von Teilkreisen kann zudem im Einbauzustand erfolgen. Es ist somit kein Ausbau des Teilkreises erforderlich, der dann in einem Labor durch herkömmliche Kalibrierverfahren, wie z. B. Rosettenverfahren, kalibriert wird. Das erfindungsgemäße Selbstkalibrierverfahren vermeidet Unsicherheiten, die bei herkömmlichen Vergleichsmessgeräten durch die mechanische Ankopplung an die gemeinsame Drehachse unvermeidlich sind. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren für den industriellen Einsatz besonders geeignet.The inventive method for self-calibration of pitch circles for angle measurement makes it possible with a relatively small number of scanheads (under one scanhead is also a sensor to understand) in only a part of the cycle Division deviations in a relatively high number of divisions quickly and to determine efficiently. The calibration and recalibration Partial circles can also be done in the installed state. It is thus no expansion of the pitch circle required, then in a laboratory by conventional Calibration method, such. B. rosette method, is calibrated. The self-calibration method according to the invention avoids uncertainties that prevail in conventional comparison measuring devices the mechanical coupling to the common axis of rotation inevitable are. Thus, the inventive method for the industrial Use particularly suitable.

Bevorzugt sollte R eine möglichst kleine Zahl (z. B. R = 2 oder 3) sein, während S deutlich größer sein kann, aber keinen gemeinsamen Teiler > 1 mit R aufweisen darf.Prefers R should be as possible small number (eg R = 2 or 3), while S can be significantly larger, but no common divisor> 1 with R may have.

In einer Ausführungsform werden die Teilungsabweichungs-Differenzen aus mehreren aufeinander folgenden Teilkreisumläufen mit nur einem Abtastkopf ermittelt, der an dem Teilkreis angeordnet ist, wobei R Teilkreisumläufe mit einem gegenseitigen Winkelabstand des Abtastkopfes von 360°/R und ein Teilkreisumlauf mit einem Winkelabstand des Abtastkopfes von 360°/R in Bezug auf einen der anderen Teilkreisumläufe durchgeführt werden.In an embodiment the pitch deviation differences become of several successive ones Teilkreisumläufen determined with only one scanning head, which is arranged on the pitch circle is, where R is circular circulations with a mutual angular distance of the scanning head of 360 ° / R and a Partial circulation with an angular distance of the scanning head of 360 ° / R in relation be performed on one of the other subcircuits.

Bei dieser Ausführungsform werden die Teilungsintervalle von dem Abtastkopf für jeden Teilkreisumlauf ausgelesen und zwischengespeichert. Neben dem Auslesen einer Gitterteilscheibe mit dem Abtastkopf können beispielsweise Zahnflanken eines Zahnrades mit einem Messtaster als Sensor oder die Flächen eines Spiegelpolygons mit einem Autokollimator als Sensor gemessen werden. Der gegenseitige Winkelabstand der Teilkreisumläufe wird durch eine entsprechende Winkeländerung zwischen Teilkreis und Abtastkopf mit Hilfe eines Verstellmechanismus erzielt. Die einzelnen Teilkreisumläufe müssen zum Auslesen der Teilungsintervalle nur im Winkel reproduzierbar sein, können jedoch unbekannte systematische Winkelfehler enthalten, da diese bei der Berechnung der Teilungsabweichungs-Differenzen eliminiert werden.at this embodiment The dividing intervals from the scanning head will be for each Circulating circuit read out and buffered. In addition to reading a lattice slice with the scanning head, for example, tooth flanks a gear with a probe as a sensor or the surfaces of a mirror polygon with an autocollimator as a sensor. The mutual Angular distance of the pitch circle circulations is caused by a corresponding change in angle between pitch circle and Scanning achieved by means of an adjustment mechanism. The individual subcircuits have to for reading the pitch intervals reproducible only at an angle could be however, contain unknown systematic angle errors, since these eliminated in the calculation of the pitch deviation differences become.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie mit nur einem Abtastkopf auskommt. Damit kann das Verfahren Platz sparend und mit geringem Geräteaufwand durchgeführt werden.These embodiment has the advantage that it works with only one scanning head. In order to The process can save space and with low equipment costs carried out become.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Teilungsabweichungs-Differenzen mit R gleichmäßig um den Teilkreis angeordneten Abtastköpfen und wenigstens einem Referenz-Abtastkopf ermittelt, wobei der Referenz-Abtastkopf an dem Teilkreis in einem Winkelabstand von 360°/S von einem der anderen Abtastköpfe angeordnet ist.In a further embodiment For example, the pitch deviation differences with R are equal to the Pitch circle arranged scanning heads and at least one reference scanhead, wherein the reference scanhead arranged at the pitch circle at an angular distance of 360 ° / S from one of the other scanning heads is.

Bei dieser Ausführungsform werden alle Teilungsintervalle in einem einzigen Teilkreisumlauf von allen Abtastköpfen gleichzeitig ausgelesen und daraus die Teilungsabweichungs-Differenzen ermittelt. Damit lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in sehr kurzer Zeit durchführen.at this embodiment all divisional intervals are in a single circular circulation from all readheads at the same time read out and therefrom the division deviation differences determined. This can be the inventive method in a very short time.

Die Auslesungen der Teilungsintervalle liefern diskrete Messwerte. Deshalb werden die Transformationen vom Ortsraum in den Frequenzraum zweckmäßig mittels diskreter Fouriertransformation und die Transformationen vom Frequenzraum in den Ortsraum mittels inverser diskreter Fouriertransformation durchgeführt.The Readings of the division intervals provide discrete measured values. Therefore the transformations of the spatial space in the frequency space are expedient means discrete Fourier transform and the transformations of frequency space into the spatial domain by means of inverse discrete Fourier transformation carried out.

Vorzugsweise wird für die Fouriertransformation eine FFT-Variante (FFT: Fast Fourier Transform) von L. H. Thomas „Using Computers to solve Problems in physics" in Application of Digital Computers, Boston, Mass.: Ginn, 1963, und I. J. Good „The interaction algorithm and practical Fourier analysis in J. Roy. Statist. Soc., ser. B, vol. 20. pp. 361–372, 1958; Addendum, vol. 22, 1960, pp. 372–375, verwendet. Diese Variante beruht auf folgender eineindeutiger Zerlegung eines Index k in ein Indexpaar (k0, k1): k = (R·RSk0 + S·SRk1)modN, 0 ≤ k ≤ N – 1mit k0 = kmodS, 0 ≤ k0 ≤ S – 1 k1 = kmodR, 0 ≤ k1 ≤ R – 1und den Bestimmungsgleichungen S·SR = 1modR, SR < R R·RS = 1modS, RS < S. Preferably, an FFT variant (FFT: Fast Fourier Transform) by LH Thomas "Using Computers to Solve Problems in Physics" in Application of Digital Computers, Boston, Mass .: Ginn, 1963, and IJ Good "The interaction algorithm and practical Fourier analysis in J. Roy., Soc.Sec., ser.B, vol., 20, pp. 361-372, 1958, Addendum, vol., 22, 1960, pp. 372-375 is based on the following one-to-one decomposition of an index k into an index pair (k 0 , k 1 ): k = (R · R S k 0 + S · S R k 1 ) modN, 0≤k≤N-1 With k 0 = kmodS, 0≤k 0 ≤ S - 1 k 1 = kmodR, 0≤k 1 ≤ R - 1 and the equations of determination S · S R = 1modR, S R <R R · R S = 1modS, R S <P.

Werden die Teilungsintervalle zunächst durch den Index k indiziert, so führt die vorstehende Zerlegung des Index k in das Indexpaar (k0, k1) zu einer für das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaften Faktorzerlegung des Teilkreises N in den ersten Unterteilkreis S zu dem Index k und den zweiten Unterteilkreis R zu dem Index k.If the division intervals are first indexed by the index k, then the above decomposition of the index k into the index pair (k 0 , k 1 ) leads to a factorization of the pitch circle N, which is particularly advantageous for the method according to the invention, into the index k and the second subcircuit R to the index k.

Die Teilungsabweichungs-Differenzen dk können gegen einen Mittelwert von Teilungsabweichungen ermittelt und wie folgt definiert werden:

Figure 00070001
wobei fk die Teilungsabweichungen und
Figure 00070002
ein arithmetischer Mittelwert über R gleichverteilte Teilungsabweichungen sind.The pitch deviation differences d k can be determined against an average of pitch deviations and defined as follows:
Figure 00070001
where f k is the pitch deviations and
Figure 00070002
an arithmetic mean over R are equally distributed pitch deviations.

Die Faktorzerlegung nach Thomas und Good führt zu der folgenden für die Berechnungen vorteilhaften Indizierung für die Teilungsabweichungs-Differenzen dk:

Figure 00070003
Figure 00080001
The factor decomposition according to Thomas and Good leads to the following indexing advantageous for the calculations for the pitch deviation differences d k :
Figure 00070003
Figure 00080001

Die Teilungsabweichungs-Differenzen

Figure 00080002
werden vorzugsweise nach folgender Vorschrift bezüglich des ersten Unterteilkreises S in den Frequenzraum transformiert:
Figure 00080003
The pitch deviation differences
Figure 00080002
are preferably transformed according to the following rule with respect to the first subcircuit S in the frequency domain:
Figure 00080003

Hierbei wurde die Faktorzerlegung von Thomas und Good ausgenutzt und die diskrete Fouriertransformation für periodische Funktionen angewandt.in this connection was the Factor decomposition of Thomas and Good exploited and the discrete Fourier transform for periodic functions applied.

Der Index n im Frequenzraum ist entsprechend dem Index k im Ortsraum nach folgender Vorschrift in ein Indexpaar (n0, n1) zerlegt: n = (S·n0 + R·n1)modN, 0 ≤ n ≤ N – 1 n0 = nmodR, 0 ≤ n0 ≤ R – 1 n1 = nmodS, 0 ≤ n1 ≤ S – 1 The index n in the frequency domain is decomposed according to the index k in the space according to the following rule in an index pair (n 0 , n 1 ): n = (S · n 0 + Rn 1 ) modN, 0 ≦ n ≦ N - 1 n 0 = n mod R, 0 ≤ n 0 ≤ R - 1 n 1 = nmodS, 0 ≤ n 1 ≤ S - 1

Diese Zuordnung ist ebenfalls eineindeutig, wodurch auch die inverse diskrete Fouriertransformation vom Frequenzraum in den Ortsraum eindeutig definiert ist.These Mapping is also one-to-one, which also makes the inverse discrete Fourier transformation from frequency domain to spatial domain is defined.

Mit dieser Zerlegung lassen sich die Transformations-Koeffizienten der Teilungsabweichungen bezüglich des ersten Unterteilkreises S wie folgt schreiben:

Figure 00080004
Figure 00090001
With this decomposition, the transformation coefficients of the division deviations with respect to the first sub-division S can be written as follows:
Figure 00080004
Figure 00090001

Eine weitere Transformation der so gewonnenen Transformations-Koeffizienten der Teilungsabweichungen bezüglich des ersten Unterteilkreises S in den Frequenzraum bezüglich des zweiten Unterteilkreises R führt in einfacher Weise unmittelbar zu den folgenden Transformations-Koeffizienten der Teilungsabweichungen bezüglich des Teilkreises:

Figure 00090002
Further transformation of the thus obtained transformation coefficients of the division deviations with respect to the first sub-division S into the frequency space with respect to the second sub-division R leads in a simple manner directly to the following transformation coefficients of the pitch deviations with respect to the pitch circle:
Figure 00090002

Unter Berücksichtigung der Kreissymmetriebedingung

Figure 00090003
und der Definition der diskreten Fouriertransformierten der Teilungsabweichungs-Differenzen
Figure 00090004
ergibt sich die folgende Fallunterscheidung für die Transformations-Koeffizienten der Teilungsabweichungen bezüglich des Teilkreises, die eine einfache Auswertung ermöglicht:
Figure 00090005
Figure 00100001
Taking into account the circle symme- try condition
Figure 00090003
and the definition of the discrete Fourier transforms of the pitch deviation differences
Figure 00090004
the following case distinction results for the transformation coefficients of the pitch deviations with respect to the pitch circle, which allows a simple evaluation:
Figure 00090005
Figure 00100001

Die letzte Zeile gilt wegen der sog. Kreisschlussbedingung, die besagt, dass sämtliche Teilungsabweichungen eines Teilkreises zusammen den Wert Null ergeben.The last line applies because of the so-called closed circuit condition, which states that all Division deviations of a pitch circle together give the value zero.

Mit den vorstehenden Gleichungen sind alle Transformations-Koeffizienten

Figure 00100002
der absoluten Teilungsabweichungen
Figure 00100003
aus den Transformations-Koeffizienten
Figure 00100004
der gemessenen Differenzen
Figure 00100005
eindeutig bestimmt: Der Koeffizient
Figure 00100006
in vorstehender Bestimmungsgleichung ist für alle Werte 0 ≤ n1 ≤ S – 1 definiert, da der Nenner
Figure 00100007
nicht Null werden kann, da R und S teilerfremd sind. Das bekannte Polstellenproblem bei der diskreten Fouriertransformation von Messdifferenzen kann deshalb hier nicht auftreten.With the above equations, all are transform coefficients
Figure 00100002
the absolute pitch deviations
Figure 00100003
from the transformation coefficients
Figure 00100004
the measured differences
Figure 00100005
uniquely determined: the coefficient
Figure 00100006
in the above equation, 0 ≤ n 1 ≤ S - 1 is defined for all values, since the denominator
Figure 00100007
can not become zero because R and S are non-prime. The known pole problem in the discrete Fourier transform of measurement differences can therefore not occur here.

Man erhält hieraus schließlich die gesuchten Teilungsabweichungen fk durch die inverse diskrete Fouriertransformation

Figure 00100008
und den bekannten Zuordnungen der
Figure 00100009
zu den Fn.From this, finally, the sought division deviations f k are obtained by the inverse discrete Fourier transformation
Figure 00100008
and the known assignments of
Figure 00100009
to the F n .

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Einrichtung zum Kalibrieren eines Teilkreises für die Winkelmessung eines um eine Achse drehbar gelagerten Objektes, die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, aufweisend wenigstens einen Abtastkopf, einen Datenspeicher und eine Auswerteeinheit.The Task is further solved by a device for calibrating a pitch circle for the angle measurement an object rotatably mounted about an axis, the set up is to carry out the method according to one of claims 1 to 9, comprising at least one scanning head, a data memory and an evaluation unit.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung lässt sich ein Teilkreis im Einbauzustand einfach selbstkalibrieren. Gute und für die meisten industriellen Anwendungen ausrei chende Ergebnisse lassen sich bereits mit einer sehr geringen Anzahl an Abtastköpfen erzielen. Die Berechnungen für das Verfahren sind einfach und nicht sehr rechenintensiv, so dass die Einrichtung mit einem einfachen und kostengünstigen Datenspeicher und einer einfachen und kostengünstigen Auswerteeinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller oder einem Prozessor, realisiert werden kann.With the device according to the invention let yourself Simply calibrate one pitch circle in the installed state. Good and for the Most industrial applications have sufficient results already achieve with a very small number of scanning heads. The calculations for the process is simple and not very computationally intensive, so that the device with a simple and inexpensive data storage and a simple and inexpensive Evaluation unit, for example a microcontroller or a processor, can be realized.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described in more detail with reference to the following figures. Show it:

1 einen ersten Teilkreis; 1 a first pitch circle;

2 einen weiteren Teilkreis; 2 another subcircle;

3 den Teilkreis aus 2 im Ortsraum und 3 the partial circle 2 in the physical space and

4 den Teilkreis aus 2 im Frequenzraum. 4 the partial circle 2 in frequency space.

In 1 ist ein Teilkreis 1 dargestellt.In 1 is a partial circle 1 shown.

Der Teilkreis 1 weist eine Winkelteilung 2 mit sechs Teilungsintervallen 3 auf. Die Teilungsintervalle 3 würden im Idealfall jeweils einen Kreisbogen 4 zu einem Mittelpunktswinkel von 2π/6 = 60° bilden. Aufgrund von herstellungs- und montagebedingten Toleranzen ist dieser Idealfall jedoch nicht erreichbar. Daher weichen die tatsächlichen Teilungsintervalle 3 von den idealen Kreissegmenten 4 ab. Hierdurch entstehen Teilungsabweichungen φk (0 ≤ k ≤ 5), die zu unterschiedlich großen Teilungsintervallen 3 führen. Die Teilungsabweichungen φk (0 ≤ k ≤ 5) treten sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn auf, was durch die unterschiedlich orientierten Pfeile entlang des Kreisumfangs angedeutet ist. Die unterschiedlich großen Teilungsintervalle 3 führen bei einer Winkelmessung zu Messabweichungen vom tatsächlichen Winkel. Um diese Messabweichungen entweder bereits während der Messung berücksichtigen oder die Messergebnisse nachträglich korrigieren zu können, ist es erforderlich, den Teilkreis 1 zu kalibrieren, also die φk (0 ≤ k ≤ 5) zu bestimmen. Die Teilungsabweichungen führen zu Messabweichungen in der Form diskreter Zahlenwerte fk, die proportional zu den Werten φk (0 ≤ k ≤ 5) sind.The circle 1 has an angle division 2 with six dividing intervals 3 on. The division intervals 3 Ideally, each would be a circular arc 4 to form a center angle of 2π / 6 = 60 °. Due to manufacturing and assembly-related tolerances of this ideal case is not achievable. Therefore, the actual dividing intervals are different 3 from the ideal circle segments 4 from. This results in division deviations φ k (0 ≦ k ≦ 5), which lead to division intervals of different sizes 3 to lead. The pitch deviations φ k (0 ≦ k ≦ 5) occur in both clockwise and counterclockwise directions, which is indicated by the differently oriented arrows along the circumference of the circle. The different size division intervals 3 lead to deviations from the actual angle in an angle measurement. To be able to take these deviations into account either during the measurement or to be able to subsequently correct the measurement results, it is necessary to set the pitch circle 1 to calibrate, ie the φ k (0 ≤ k ≤ 5) to determine. The pitch deviations lead to measurement deviations in the form of discrete numerical values f k , which are proportional to the values φ k (0 ≦ k ≦ 5).

2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung 5 zum Kalibrieren eines Teilkreises 6. Die Faktorzerlegung N = R·S ist hier mit R = 3 und S = 4 realisiert. 2 schematically shows a device according to the invention 5 for calibrating a pitch circle 6 , The factor decomposition N = R · S is realized here with R = 3 and S = 4.

Der Teilkreis 6 weist zwölf Teilungsintervalle 7 auf. Auf dem Umfang des Teilkreises 6 sind drei Abtastköpfe AK0, AK1 und AK2 in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet. Die Winkel zwischen benachbarten Abtastköpfen AK0, AK1 und AK2 betragen 120°.The circle 6 has twelve division intervals 7 on. On the circumference of the pitch circle 6 are three scanning AK 0 , AK 1 and AK 2 arranged at the same angular distance from each other. The angles between adjacent scanning heads AK 0 , AK 1 and AK 2 are 120 °.

Auf dem Umfang des Teilkreises 6 ist ferner ein Referenzabtastkopf AKS in einem Winkelabstand von 360°/4 = 90° im Gegenuhrzeigersinn von dem Abtastkopf AK0 angeordnet.On the circumference of the pitch circle 6 Further, a reference scanning AK S at an angular distance of 360 ° / 4 = 90 ° counterclockwise from the scanning AK 0 is arranged.

Die Messwerte der Abtastköpfe AK0, AK1 und AK2 und des Referenzabtastkopfes AKS werden über eine geeignete drahtgebundene oder drahtlose Datenverbindung an eine nicht dargestellte Rechnereinheit übermittelt. Die Rechnereinheit umfasst einen Datenspeicher zum Speichern der Messwerte und weiterer Daten, wie zum Beispiel Zwischenergebnisse, sowie eine Auswerteeinheit, die die Messwerte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet. Darüber hinaus ist die Rechnereinheit 16 zur Ansteuerung der Drehung des Teilkreises 6 eingerichtet. Dies kann beispielsweise über einen nicht dargestellten Elektromotor erfolgen.The measured values of the scanning heads AK 0 , AK 1 and AK 2 and the reference scanning head AK S are transmitted via a suitable wired or wireless data connection to a computer unit, not shown. The computer unit comprises a data memory for storing the measured values and further data, such as intermediate results, as well as an evaluation unit which processes the measured values according to the method according to the invention. In addition, the computer unit 16 for controlling the rotation of the pitch circle 6 set up. This can be done for example via an electric motor, not shown.

Die Selbstkalibrierung des Teilkreises 6 wird im Folgenden näher erläutert.The self-calibration of the pitch circle 6 will be explained in more detail below.

In einem vollständigen Teilkreisumlauf werden die drei Abtastköpfe AK0, AK1 und AK2 jeweils in Differenz zu dem Referenzabtastkopf AKS ausgelesen, wodurch Messwertdifferenzen erhalten werden. Der Referenzabtastkopfes AKS dient dabei als Taktgeber. Bei jedem Takt wird der arithmetische Mittelwert der Messwertdifferenzen gebildet. Der Mittelwert beschreibt einen Dreiecksteilkreis mit seiner Lage in Bezug auf den Referenzabtastkopf AKS.In a complete circular recirculation, the three scanning heads AK 0 , AK 1 and AK 2 are respectively read in difference from the reference scanning head AK S , whereby measured value differences are obtained. The Referenzabtastkopfes AK S serves as a clock. At each clock, the arithmetic mean of the measured value differences is formed. The mean value describes a triangular pitch circle with its position with respect to the reference scanning head AK S.

In 3 ist zu erkennen, dass gemäß der Teilkreiszerlegung mit N = 12, R = 3 und S = 4 in einem Teilkreisumlauf eine Anzahl von genau 4 Dreiecken 8a, 8b, 8c, 8d mit ihren Lageabweichungen ausgelesen werden, die zusammen den vollständigen Teilkreis 6 bilden.In 3 It can be seen that according to the pitch decomposition with N = 12, R = 3 and S = 4 in a pitch cycle, a number of exactly 4 triangles 8a . 8b . 8c . 8d be read out with their positional deviations, which together form the complete circle 6 form.

Die Auswertung dieser zwölf gemittelten Teilungsabweichungen erfolgt nun nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, das einen zweistufigen Fourieralgorithmus darstellt.The Evaluation of these twelve averaged pitch deviations now takes place according to the method according to the invention, which represents a two-stage Fourier algorithm.

Zunächst wird der Index k im Ortsraum nach Thomas und Good in ein Indexpaar (k0, k1) zerlegt. Die Werte des Index k sind in 3 innen am Kreisumfang 9 im Gegenuhrzeigersinn dargestellt und die Werte der zugeordneten Indexpaare (k0, k1) außen am Kreisumfang 9. Entsprechend sind die Werte des Index n im Frequenzraum und die Werte der zugeordneten Indexpaare (n0, n1) in 4 dargestellt an einem Kreisumfang 10 dargestellt.First, the index k is decomposed in place according to Thomas and Good into an index pair (k 0 , k 1 ). The values of the index k are in 3 inside the circumference 9 shown in the counterclockwise direction and the values of the associated index pairs (k 0 , k 1 ) outside the circumference 9 , Accordingly, the values of the index n in the frequency domain and the values of the associated index pairs (n 0 , n 1 ) are in 4 represented on a circumference 10 shown.

Die Zerlegungen führen zu folgenden Zuordnungstabellen:

Figure 00140001
The decompositions lead to the following assignment tables:
Figure 00140001

Der Tabelle 1 ist beispielsweise zu entnehmen, dass dem Index k = 11 das Indexpaar (k0, k1) = (3,2) und dem Index n = 4 das Indexpaar (n0, n1) = (1,0) zugeordnet sind. Es ist auch zu erkennen, dass die Zuordnungen eineindeutig sind.For example, Table 1 shows that the index pair (k 0 , k 1 ) = (3,2) and the index n = 4 represent the index pair (n 0 , n 1 ) = (1,0) for index k = 11. assigned. It can also be seen that the assignments are one-to-one.

In der ersten Stufe führt die Fouriertransformation der Teilungsabweichungs-Differenzen

Figure 00140002
über den ersten Unterteilkreis (zu dem Faktor S = 4) zu den Transformations-Koeffizienten
Figure 00150001
In the first stage, the Fourier transform results in the pitch deviation differences
Figure 00140002
over the first sub-division (to the factor S = 4) to the transformation coefficients
Figure 00150001

Diese Funktion stellt bezüglich des Index n1 eine Funktion im Frequenzraum und bezüglich des Index k1 eine Funktion im Ortsraum dar.This function represents a function in frequency space with respect to index n 1 and a function in space with respect to index k 1 .

Durch Auswerten und Umformen erhält man hieraus die Funktion

Figure 00150002
By evaluating and reshaping you get the function
Figure 00150002

In der zweiten Stufe führt die Fouriertransformation dieser Funktion über den zweiten Unterteilkreis (zu dem Faktor R = 3) zu Transformations-Koeffizienten der Teilungsabweichungen, die durch folgende Vorschrift dargestellt werden:

Figure 00150003
In the second stage, the Fourier transformation of this function over the second subcircuit (to the factor R = 3) leads to transformation coefficients of the pitch deviations, which are represented by the following rule:
Figure 00150003

Die Auswertung dieser Funktion führt zu folgender Fallunterscheidung:

Figure 00150004
The evaluation of this function leads to the following case distinction:
Figure 00150004

Man erhält hieraus schließlich die gesuchten Teilungsabweichungen fk durch die inverse diskrete Fouriertransformation

Figure 00150005
und den bekannten Zuordnungen der
Figure 00150006
zu den Fn.From this, finally, the sought division deviations f k are obtained by the inverse discrete Fourier transformation
Figure 00150005
and the known assignments of
Figure 00150006
to the F n .

Claims (10)

Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Teilkreises (1, 6) für die Winkelmessung eines um eine Achse drehbar gelagerten Objektes, bei dem der Teilkreis (1, 6) in eine Anzahl N im Wesentlichen gleichmäßiger Teilungsintervalle (7) geteilt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Der Teilkreis (1, 6) wird in einen ersten und einen zweiten Unterteilkreis zu den ganzzahligen, teilerfremden Faktoren R bzw. S, mit N = R·S, faktorzerlegt; b) Für jedes Teilungsintervall (7) wird eine Teilungsabweichungs-Differenz dk ermittelt; c) Die Teilungsabweichungs-Differenzen dk werden bezüglich des ersten Unterteilkreises vom Ortsraum in den Frequenzraum transformiert; d) Aus dem Transformationsergebnis werden Transformations-Koeffizienten
Figure 00160001
von Teilungsabweichungen fk bezüglich des ersten Unterteilkreises berechnet; e) Die Transformations-Koeffizienten
Figure 00160002
der Teilungsabweichungen fk bezüglich des ersten Unterteilkreises werden bezüglich des zweiten Unterteilkreises vom Ortsraum in den Frequenzraum transformiert, wodurch Transformations-Koeffizienten
Figure 00170001
der Teilungsabweichungen fk bezüglich des Teilkreises (1, 6) erhalten werden; f) Die Transformations-Koeffizienten
Figure 00170002
der Teilungsabweichungen fk bezüglich des Teilkreises werden vom Frequenzraum in den Ortsraum transformiert, wodurch die Teilungsabweichungen fk erhalten werden.
Method for self-calibration of a pitch circle ( 1 . 6 ) for the angle measurement of an object rotatably mounted about an axis, in which the pitch circle ( 1 . 6 ) into a number N of substantially uniform pitch intervals ( 7 ), characterized by the following steps: a) the pitch circle ( 1 . 6 ) is factor-divided into first and second subcircuits into the integer, non-divisive factors R and S, respectively, where N = R · S; b) For each division interval ( 7 ), a pitch deviation d k is determined; c) the pitch deviation differences d k are transformed from the spatial domain into the frequency domain with respect to the first subcircuit; d) The transformation result becomes transformation coefficients
Figure 00160001
calculated from pitch deviations f k with respect to the first sub-pitch circle; e) The transformation coefficients
Figure 00160002
the pitch deviations f k with respect to the first subcircuit are transformed with respect to the second subcircuit from the spatial domain into the frequency domain, whereby transformation coefficients
Figure 00170001
the pitch deviations f k with respect to the pitch circle ( 1 . 6 ) are obtained; f) The transformation coefficients
Figure 00170002
the pitch deviations f k with respect to the pitch circle are transformed from the frequency space to the location space, whereby the pitch deviations f k are obtained.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsabweichungs-Differenzen mit einem Abtastkopf ermittelt werden, der an dem Teilkreis (1, 6) angeordnet ist, wobei R Teilkreisumläufe mit einem gegenseitigen Winkelabstand des Abtastkopfes von 360°/R und ein Teilkreisumlauf mit einem Winkelabstand des Abtastkopfes von 360°/S in Bezug auf einen der anderen Teilkreisumläufe durchgeführt werden.A method according to claim 1, characterized in that the pitch deviation differences with ei A scanning head can be determined on the pitch circle ( 1 . 6 ), wherein R circular recirculations are performed with a mutual angular distance of the scanning head of 360 ° / R and a pitch circulation with an angular distance of the scanning head of 360 ° / S with respect to one of the other circular recirculations. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsabweichungs-Differenzen mit R gleichmäßig um den Teilkreis (6) angeordneten Abtastköpfen (AK0, AK1, AK2) und wenigstens einem Referenz-Abtastkopf (AKS) ermittelt werden, wobei der Referenz-Abtastkopf (AKS) an dem Teilkreis (6) in einem Winkelabstand von 360°/S von einem der Abtastköpfe (AK0, AK1, AK2) angeordnet ist.Method according to Claim 1, characterized in that the pitch deviation differences with R are uniform around the pitch circle ( 6 ) arranged scanning heads (AK 0 , AK 1 , AK 2 ) and at least one reference scanning head (AK S ) are determined, wherein the reference scanning head (AK S ) at the pitch circle ( 6 ) is arranged at an angular distance of 360 ° / S from one of the scanning heads (AK 0 , AK 1 , AK 2 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsintervalle (7) vor der Faktorzerlegung durch einen Index k und nach der Faktorzerlegung durch ein Indexpaar (k0, k1) indiziert werden, für die gilt: k = (R·RSk0 + S·SRk1)modN, 0 ≤ k ≤ N – 1mit k0 = kmodS, 0 ≤ k0 ≤ S – 1 k1 = kmodR, 0 ≤ k1 ≤ R – 1und den Bestimmungsgleichungen S·SR = 1modR, SR < R R·RS = 1modS, RS < S. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the division intervals ( 7 ) are indexed before the factorization by an index k and after the factorization by an index pair (k 0 , k 1 ), for which: k = (R · R S k 0 + S · S R k 1 ) modN, 0≤k≤N-1 With k 0 = kmodS, 0≤k 0 ≤ S - 1 k 1 = kmodR, 0≤k 1 ≤ R - 1 and the equations of determination S · S R = 1modR, S R <R R · R S = 1modS, R S <P. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsabweichungs-Differenzen dk aus den Teilungsabweichungen fk definiert werden durch:
Figure 00180001
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pitch deviation differences d k from the pitch deviations f k are defined by:
Figure 00180001
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsabweichungs-Differenzen dk nach der Faktorzerlegung wie folgt dargestellt werden:
Figure 00180002
A method according to claim 5, characterized in that the division deviation differences d k after factoring are represented as follows:
Figure 00180002
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsabweichungs-Differenzen nach folgender Vorschrift bezüglich des ersten Unterteilkreises in den Frequenzraum transformiert werden:
Figure 00180003
A method according to claim 6, characterized in that the division deviation differences are transformed according to the following rule with respect to the first sub-division into the frequency space:
Figure 00180003
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformations-Koeffizienten der Teilungsabweichungen fk bezüglich des ersten Unterteilkreises wie folgt definiert werden:
Figure 00190001
A method according to claim 7, characterized in that the transformation coefficients of the pitch deviations f k with respect to the first sub-pitch circle are defined as follows:
Figure 00190001
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationskoeffizienten der Teilungsabweichungen fk bezüglich des ersten Unterteilkreises nach folgender Vorschrift bezüglich des zweiten Unterteilkreises in den Frequenzraum transformiert werden:
Figure 00190002
A method according to claim 8, characterized in that the transformation coefficients of the pitch deviations f k are transformed with respect to the first subcircuit in accordance with the following rule with respect to the second subcircuit in the frequency domain:
Figure 00190002
Einrichtung zur Selbstkalibrierung eines Teilkreises (6) für die Winkelmessung eines um eine Achse drehbar gelagerten Objektes, die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, aufweisend wenigstens einen Abtastkopf (AK0, AK1, AK2), einen Datenspeicher und eine Auswerteeinheit.Device for self-calibration of a pitch circle ( 6 ) for the angular measurement of an object rotatably mounted about an axis, which is adapted to carry out the method according to one of claims 1 to 9, comprising at least one scanning head (AK 0 , AK 1 , AK 2 ), a data memory and an evaluation unit.
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