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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufbereitung analoger Signale
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 6. Die Erfindung betrifft ferner eine Messeinrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
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Bei der inkrementalen Längenmessung
oder Winkelmessung werden Sensoren verwendet, die herkömmlicherweise
nach optischen, induktiven oder magnetischen Messprinzipien arbeiten.
Eine Maßverkörperung
besteht hierbei im Regelfall aus äquidistanten Strichteilungen.
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Bei optischen Systemen sind derartige Strichteilungen
in der Regel als Strichgitter mit Hellzonen und Dunkelzonen ausgebildet.
Bei induktiven Meßsystemen
wird beispielsweise eine geätzte
oder ausgestanzte ferromagnetische Gitterstruktur verwendet. Schließlich wird
bei magnetischen Längenmeßsystemen
ein magnetisiertes Maßband
verwendet, welches abwechselnd mit einem Nord- und Südpol magnetisiert
wurde. Sämtlichen
Meßsystemen gemeinsam
ist, dass die Abtastung der jeweiligen inkrementalen Spuren in elektrische
Signale umgesetzt wird.
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Zu diesem Zwecke werden entsprechende Sensoren
eingesetzt. Induktive Sensoren bestehen beispielsweise. aus einem
Stabmagneten mit weichmagnetischem Polstift, der eine Induktionsspule
mit zwei Anschlüssen
trägt.
Bewegt oder dreht sich vor diesem Aufnehmer eine ferromagnetische
Gitterstruktur, so wird in der Spule eine der zeitlichen Änderung
des Magnetflusses proportionale Spannung induziert. Einer gleichmäßigen Gitterstruktur
entspricht hierbei ein sinusartiger Spannungsverlauf.
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Es ist zweckmäßig, mittels eines derartigen Sensors
gleichzeitig zwei analoge sinusartige Spannungssignale bereitzustellen,
welche um 90° zueinander
phasenverschoben sind. Dies ist etwa über die Ausbildung eines Sensors
mit zwei entsprechenden Kanälen
realisierbar. Die Signalperiode der jeweiligen sinusförmigen Signale
entspricht im wesentlichen der Teilungsperiode, auch Inkrement genannt, der
Maßverkörperung.
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Derartige sinusförmige Signale werden für bestimmte
Anwendungen, welche eine relativ genaue Positionserfassung benötigen, zweckmäßigerweise
mit einer externen Interpolationseinheit in Rechteckspannungssignale
höherer
Frequenz umgewandelt. Es sind Meßsysteme bekannt, welche als Ausgangssignal
unmittelbar interpolierte Rechtecksignale liefern. Bei Maschinensteuerungen
sind Rechtecksignale jedoch nur wenig verbreitet. Maschinensteuerungen
sind meist lediglich in der Lage, ein analoges Sinussignal zu verarbeiten
und intern zu interpolieren.
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Optische Meßsysteme weisen im Vergleich zu
magnetischen Meßsystemen
physikalisch bedingt unterschiedlich große Inkrementabstände bzw.
Teilungsperioden auf. Bei optischen Systemen liegen diese im Bereich
von 4 bis 100 μm,
bei mag netischen Systemen im Bereich von 200 bis 5000 μm. Somit werden
bei herkömmlichen
optischen Systemen relativ kurzwellige bzw. hochfrequente Sinussignale,
und bei magnetischen Systemen relativ langwellige bzw. niederfrequente
Sinussignale erzeugt. Hierdurch ist die Verwendung von magnetischen
Meßsystemen
im Rahmen hochgenauer Messungen erschwert, da derartige, ein magnetisches
Meßsystem
verwendende Messungen wesentlich höher interpoliert werden müssen als
optische Systeme. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts seien beispielhaft
typische Zahlenwerte angegeben. Eine optische Signalperiode liegt,
wie bereits erwähnt,
typischerweise bei etwa 4 μm
bis 100 μm,
womit eine Auflösung
von 0,01 μm
bis 0,02 μm
bei einem notwendigen Unterteilungsfaktor von 400 bis 500 erreichbar
ist. Magnetische Meßsysteme
haben hingegen Signalperioden von 200 μm bis 5000 μm, so dass zur Erreichung einer
Auflösung
von 0,05 μm
bis 5 μm
Unterteilungsfaktoren bzw. Interpolationsraten von 4000 bis 1000
notwendig sind. Insgesamt ist es in der Regel notwendig, magnetische Meßsysteme
zur Erreichung der gleichen Messgenauigkeit mit etwa zehnfach höherer Interpolierbarkeit
auszustatten als optische Meßsysteme.
Magnetische Meßsysteme
stellen somit wesentlich höhere
Anforderungen an einen eingesetzten Interpolator. Ferner stellen
hohe Interpolationsfaktoren hohe Anforderungen an die Signalgüte magnetischer
Meßsysteme.
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Aus der
DE 198 15 438 A1 ist eine
Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Relativposition zweier
zueinander beweglicher Objekte bekannt. Hierbei wird im Falle einer
Relativbewegung mindestens ein Paar phasenversetzter analoger Inkrementsignale
erzeugt und über
eine Signalperioden-Variationseinheit
eine definierte Variation der Signalperioden der an eine nachgeordnete
Auswerteeinheit übertragenen
analogen Inkrementalsignale um mindestens einen Signalperioden-Variationsfaktor
ermöglicht.
Für den
Fall, dass es zu zu hohen Signalfrequenzen der übertragenen analogen Inkrementalsignale
kommt, ist gemäß dieser
Druckschrift vorgesehen, im Bedarfsfall eine Verringerung der Signalfrequenz
zu realisieren. Insbesondere erfolgt im Fall einer erforderlichen
Verringerung der Signalfrequenz bzw. entsprechend einer Vergrößerung der
Signalperiode eine Multiplikation der jeweiligen Signalperiode mit
wenigstens einem Signalperioden-Variationsfaktor.
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Aus der
CH 666 348 A5 ist ein Verfahren zum Auswerten
von Messsignalen, die durch Abtastung eines Inkrementalmaßstabes
mit einer Abtasteinheit erhalten werden, und eine Messeinrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens bekannt. Hierbei werden durch Abtastung eines
Inkrementalmaßstabes
mit einer Abtasteinheit wenigstens zwei analoge, in ihrer Grundform
sinusförmige
und gegeneinander phasenverschobene Messsignale erzeugt, bei denen jeder
vollständige
Signalzug einem abgetasteten Teilungspaar der Inkrementalteilung
des Inkrementalmaßstabes
entspricht. Diese analogen Messsignale werden über einem Rechner ausgewertet.
Die Verstellrichtung der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab wird bestimmt, und der
Rechner wird mit Richtungssteuersignalen beaufschlagt, die diese
Verstellrichtung angeben. Die Messsignale werden in einem AD-Wandler
digitalisiert und dem Rechner zugeführt. Aus der Abtastung wenigstens
eines vollständigen Signalzuges
werden Korrekturwerte zur Normierung der Signale erhalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Meßsysteme mit
relativ geringen Anforderungen bezüglich Interpolation zur Verfügung zu
stellen, welche eine ausreichend genaue Auflösung analoger Signale zur Verfügung stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Positionsmesseinrich tung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 und ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 6.
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Der erfindungsgemäße Vorschlag, ein auszuwertendes
analoges Signal vor einer Digitalisierung zunächst in ein höherfrequentes
analoges Signal umzuwandeln, ermöglicht
es zum Beispiel bei inkrementalen magnetischen Längenmeßsystemen ohne die Notwendigkeit
der Bereitstellung hochleistungsfähiger Interpolatoren Auflösungen zu
erzeugen, welche denen optischer Systeme entsprechen. Erfindungsgemäß sind auch
die Anforderungen an die Signalgüte
relativ gering, da hohe Interpolationsfaktoren vermieden werden
können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise weist die erfindungsgemäß eingesetzte
Analog-Digital-Wandlereinrichtung einen Interpolator zur Interpolation
der analogen Zwischensignale, welche gegenüber den ursprünglichen analogen
Signalen eine höhere
Frequenz bzw. längere
Periode aufweisen, auf. Mit dieser Maßnahme erhält man insgesamt bei relativ
geringen Anforderungen an einen Interpolator höherfrequente Rechtecksignale
bzw. Inkrementalsignale, welche zur punktgenauen Messung verwendet
werden können.
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Zweckmäßigerweise ist die erfindungsgemäß eingesetzte
Umsetzeinrichtung zur Verkürzung der
Signalperiode der analogen Signale zwischen einem Sensor zur Bereitstellung
der analogen Signale und der Analog-Digital-Wandlereinrichtung vorgesehen.
Eine derartige separate Einrichtung, welche beispielsweise als elektronische
Zusatzbox ausgebildet sein kann, lässt sich in relativ einfacher
Weise an bereits bestehende Systeme ankoppeln. Beispielsweise können Werkzeugmaschinensteuerungen,
welche mit magnetischen Messsystemen zur Positionsbestimmung ausgebildet
sind, mittels einer derartigen separaten Einrichtung wesentlich
genauer ausgebildet werden, ohne Einbußen hinsichtlich einer Regelungscharakteristik
in Kauf zu nehmen.
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Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung
derart ausgebildet, dass die Inkrementalspur und der mit dieser
zusammenwirkende Sensor ein magnetisches Messsystem bilden. Mittels der
erfindungsgemäßen Maßnahmen
können
so herkömmliche,
magnetische Messsysteme in relativ einfacher Weise mit Auflösungen zur
Verfügung
gestellt werden, welche in wirtschaftlich vertretbarer Weise bislang
nur mit optischen Messsystemen realisierbar waren.
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Die Erfindung wird nun anhand der
beigefügten
Zeichnungen weiter erläutert.
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In dieser zeigt
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1 ein
Blockschaltbild zur Darstellung einer herkömmlichen Interpolation eines
Sinussignals in ein höherfrequentes
Rechtecksignal, und
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2 eine
schematische, blockschaltbildartige Darstellung zur Erläuterung
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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Zunächst wird anhand der 1 ein herkömmliches
Interpolationsverfahren für
analoge Signale erläutert.
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In 1 erkennt
man, dass zwei analoge, sinusförmige
Signale (Signal A, Signal B) jeweils über Verstärker 10 Analog-Digital-Wandlern 12 zugeführt werden.
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Bei den Signalen A, B handelt es
sich vorzugsweise um zwei um 90° zueinander
phasenverschobene, periodisch modulierte Signale, über welche
in an sich bekannter Weise Positionsinformationen bezüglich der
Relativlage einer (nicht dargestellten) Maßstabteilung und Abtasteinheit
als auch entsprechende Richtungsinformationen zur Verfügung gestellt
werden. Es sind auch andere Phasenverschiebungen, beispielsweise
120°, denkbar.
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Die Wellenlänge der Signale A und B entspricht
im wesentlichen der Teilungsperiode des (nicht dargestellten) Maßstabes.
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Die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler 12 werden über Leitungen 8 einer
Rechnereinheit zugeführt,
welche einen Interpolator 14 aufweist. Mittels einer dort
entsprechend gespeicherten Interpolationstabelle wird der Arcustangens
arctan(B/A) der durcheinander dividierten Signale A, B berechnet.
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In an sich bekannter Weise wird anschließend in
der 1 dargestellten
Weise unter Verwendung eines Differenzrechners 16, eines
Zählers 18 und
eines Pulsgenerators 20 für jedes der Ausgangssignale
ein Inkrementalsignal A' bzw.
B' erzeugt. Die Inkrementalsignale
A', B' weisen eine kleinere
Wellenlänge
bzw. eine größere Frequenz
auf als die ursprünglichen
analogen Signale A, B. Als nachteilig bei dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Verfahren
erweist sich, dass an den Interpolator 14 zur Bereitstellung
ausreichend hochfrequenter Inkrementalsignale A', B' sehr hohe
Anforderungen zu stellen sind, wodurch seine Bereitstellungskosten
relativ hoch sind.
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Anhand der 2 wird nun beispielhaft die vorliegende
Erfindung erläutert.
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In an sich bekannter Weise erfolgt
zunächst eine
Relativbewegung einer Inkrementalspur 20 bezüglich eines
Sensors bzw. Aufnehmers 22. Bei der Inkrementalspur 20 und
dem Sensor 22 kann es sich insbesondere um ein magnetisches
Messsystem handeln.
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Entsprechend der gleichförmigen Struktur der
Inkremente der Inkrementalspur 20 erhält man einen sinusartigen Spannungsverlauf,
wie er bei 24 dargestellt ist. Zweckmäßigerweise werden durch den
Sensor 28 zwei Signale A, B bereitgestellt, welche um beispielsweise
90° zueinander
phasenverschoben sind. Die Wellenlänge der jeweiligen Signale
A, B beträgt
x μm, was
im wesentlichen der Teilungsperiode der Inkrementalspur 20 entspricht.
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Erfindungsgemäß werden diese sinusförmigen Signale
A, B vor einer weiteren Verarbeitung, d. h. insbesondere vor einer
Digitalisierung, auf einen Frequenzumsetzer 26 gegeben,
welcher die Wellenlängen
bzw. Perioden der Signale A, B in kleinere Signalperioden herunterteilt.
Insgesamt werden mittels des Frequenzumsetzers 26 Zwischensignale
A', B' zur Verfügung gestellt,
deren Signalperiode bezüglich
der Signalperiode der Signale A, B um einen Faktor n heruntergeteilt
sind, wobei n insbesondere eine natürliche Zahl sein kann.
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Die weitere Verarbeitung der Signale
A', B' erfolgt dann wiederum
in an sich bekannter Weise, beispielsweise mittels Analog-Digital-Wandler 28 und entsprechend
nachgeschalteten Interpolationseinrichtungen, wie sie unter Bezugnahme
auf 1 bereits beschrieben
wurden und hier nicht noch einmal im einzelnen dargestellt werden.
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Die Verkürzung der Signalperiode erfolgt
in der gemäß 2 dargestellten Ausführungsform
mittels einer als elektronische Zusatzbox ausgebildeten Frequenzumsetzeinrichtung 26.
Eine entsprechende Verkürzung
der Signalperiode könnte
beispielsweise auch innerhalb eine Primärelektronik des Sensors 22 erfolgen.
Wesentlich ist bei sämtlichen
möglichen Ausführungsformen,
dass ein analoges, sinusförmiges
Ausgangssignal (Signal A, Signal B), dessen Periode im wesentlichen
der Teilungsperiode der verwendeten Inkrementalspur entspricht,
auf Frequenzen kleinerer Periode umgesetzt wird.
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Mit der erfindungsgemäß dargestellten
Anordnung ist es beispielsweise möglich, ein magnetisches Messsystem 20, 22 in
der Art eines optischen Messsystems, dessen Ausgangssignale gegenüber herkömmlichen
magnetischen Systemen wesentlich hochfrequenter sind, zu betreiben.
Es ist beispielsweise möglich,
von einer magnetischen Inkrementalspur 20 erhaltene Signale
A, B mit einer Signalperiode von 1000 μm (entsprechend einer Teilungsperiode der
Inkrementalspur von 1000 μm)
auf eine Signalperiode von etwa 40 μm aufzubereiten. Insgesamt lässt sich
hierdurch erreichen, dass ein magnetisches System sich von seinen
Ausgangssignalen A',
B' her wie ein optisches
Messsystem verhält.
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Die weitere Verarbeitung der Signale
A', B', welche als Zwischensignale
auf einen Analog-Digital-Wandler gegeben werden, erfolgt dann wiederum in
an sich bekannter Weise, beispielsweise mittels Analog-Digital-Wandler
und entsprechend nachgeschalteten Interpolationseinrichtungen, wie
sie unter Bezugnahme auf 1 bereits
beschrieben wurden.