DE10335862A1

DE10335862A1 - Verfahren zum Kalibrieren eines inkrementalen Winkelgebers an einem rotierenden Bauteil sowie Verfahren zum Antrieb eines bzgl. seiner Winkellage geregelten Bauteils

Info

Publication number: DE10335862A1
Application number: DE10335862A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. rer. nat. Schaschek
Original assignee: Koenig and Bauer AG
Current assignee: Koenig and Bauer AG
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: DE10335862B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines inkrementalen Winkelgebers an einem rotierenden Bauteil wird das einen Winkelgeber tragende rotierende Bauteil in eine im wesentlichen ungestörte Drehbewegung versetzt. Es werden Abweichungen der gemessenen Zeitintervalle von einem für äquidistante Segmente zu erwartenden Verhalten am aus Winkelgeber und Bauteil bestehenden System ermittelt und zur Bildung von Korrekturwerten herangezogen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Kalibrieren eines inkrementalen Winkelgebers an einem rotierenden Bauteil sowie ein Verfahren zum Antrieb eines bzgl. seiner Winkellage geregelten Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 3 bzw. 10.

Inkrementalgeber sind in der Technik bekannt und in verschiedensten Bauformen erhältlich. Daneben ist es bekannt, auf der Manteloberfläche angebrachte Markierungen auszuwerten. Messgröße dieser Verfahren ist die Zeit, die während des Vorbeistreichen der sukzessiven Segmente vor einem ortsfesten Aufnehmer vergeht. Unter einer entsprechenden Vorrichtung ist jedes Gerät zu verstehen, das in der Lage ist dies mit der notwendigen Genauigkeit zu tun und die Werte einer anschließenden Analyse zur Verfügung zu stellen. Dieses Verfahren unterscheidet sich von de Resolver-Techniken dadurch, dass die Inkremente nicht weiter durch eine Analyse der direkten Meßsignale interpoliert werden (Auswertung der phasenverschobenen Amplitude).

Die Auflösungen, die durch die genannten Einheiten bzw. Ausführungen unter Laborbedingungen erzielt werden, sind allerdings schwer in einer Maschine, insbesondere an rotierenden Bauteilen in Betrieb befindlicher Bearbeitungsmaschinen, z. B. Druckmaschinen, aufrecht zu erhalten, da sich durch die Anbringung der erforderlichen Vorrichtungen und durch andere, beispielsweise dynamische, Effekte zusätzliche Fehlerquellen ergeben.

In der DE 196 36 987 C2 ist ein Verfahren beschrieben, wobei die Signale eines die Rotationsbewegung erfassenden Winkellagegebers mit einem gleichmäßigen Referenzsignal in Beziehung gesetzt wird, und das die Abweichungen von der Gleichförmigkeit beinhaltende Ergebnis nach Fourier-Analyse zur Detektion von Beschädigungen herangezogen wird.

Die DE 41 37 979 A1 offenbart einen Antrieb eines Zylinders, wobei eine Winkellageinformation über einen Winkelgeber erfasst und einer Recheneinheit zugeführt wird, von welcher ein den Zylinder antreibender Motor auch seine Sollwerte erhält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Kalibrieren eines inkrementalen Winkelgebers an einem rotierenden Bauteil sowie Verfahren zum Antrieb eines bzgl. seiner Winkellage geregelten Bauteils zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 3 bzw. 10 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit dem hier beschriebenen Verfahren der Einsatz von Inkrementalgebern niedriger Güte ermöglicht wird, bzw. eine hohe Güte an Genauigkeit auch nach der Anbringung erhalten bleibt. Eine wesentliche Voraussetzung ist dabei die absolute Reproduzierbarkeit, nicht jedoch die absolute Genauigkeit der Geber an und für sich.

Im Gegensatz zur Resolvertechnik (Cos- Sin- Interpolation) lässt sich mit der vorgeschlagenen Lösung durch eine Kombination aus Zähler- (der Segmente) und Zeitmessung unter Berücksichtigung der Korrekturwerte eine Winkel- bzw. Lagebestimmung mit höherer Auflösung und Genauigkeit erzielen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein rotierendes Bauteil mit inkrementalem Winkelgeber;
2 ein Blockschema für eine Ausführung des Verfahrens;
3 eine exemplarische „Kalibriermessung" am unbelasteten/ungetriebenen Bauteil;
4 eine exemplarische Darstellung von ermittelten Korrekturwerten.
Ein rotierendes Bauteil 01, z. B. ein rotierendes Bauteil 01 einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere ein Zylinder 01 oder eine Walze 01 einer Druckmaschine, soll bzgl. seiner Winkellage und/oder Winkelgeschwindigkeit erfassbar ausgeführt sein. Hierzu ist ein mit dem Bauteil 01 zusammen wirkender "inkrementaler Winkelgeber" 02 vorgesehen. Als ein "inkrementaler Winkelgeber" 02, im Weiteren kurz Winkelgeber 02, soll ein Gerät verstanden werden, welches über eine feste Unterteilung in Winkelsegmente, insbesondere im Wesentlichen gleich große Winkelsegmente, verfügt und in der Lage ist, ein mit diesen Segmenten Sn korreliertes, insbesondere diesen Segmenten Sn proportionales Signal abzugeben, das dann z. B. einer Folgeelektronik zuführbar ist bzw. zugeführt wird.
Wie schematisch dargestellt, weist der Winkelgeber 02 ein mit dem Bauteil 01 verbundenen und mit diesem rotierenden Skalenteil 03 bzw. Geber 03, z. B. Markierungen auf dem Bauteil 01 selbst, oder eine oder mehrere mit m Segmenten Sn bzw. Markierungen (m = Anzahl der Segmente Sn auf 360°) versehene Scheiben, sowie einen i.d.R. orts- bzw. gestellfesten Teil, z. B. eine Detektoreinheit 04 (ggf. gleichzeitig einen Sender enthaltend) auf. Vorteilhaft ist eine bestimmte definierte Lage (Null- bzw. Referenzwinkellage) des Bauteils 01 durch die Markierung erkennbar.
Der Fehler einer Messung des Winkels/der Winkelgeschwindigkeit eines Zylinders 01 wird im Wesentlichen durch die folgenden Faktoren bestimmt:

– Ungleichmäßigkeit der Teilung der Markierung/Segmente
– Richtungsabweichung der Teilung der Markierung/Segmente
– Exzentrizität der Teilung der Markierung/Segmente zur Lagerung
– Rundlaufabweichung der Lagerung
– Ankopplung des Gebers an das Gehäuse

Für eine Lage- und/oder Geschwindigkeitsmessung ergibt sich insbesondere aufgrund der letzten beiden Punkte damit die Problematik, dass selbst mit einem idealen Geber 03 (exakte Teilung) die Lage des Messobjektes nicht korrekt wiederzugeben ist.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren bietet die Möglichkeit unter bestimmten Voraussetzungen die oben genannten Fehler dadurch zu reduzieren, dass eine Kalibriermessung vorgenommen wird, wobei (insbesondere hochfrequente) Abweichungen der Intervalle von einem äquidistanten Verhalten in der Winkelteilung am aus Winkelgeber 02 und Bauteil 01 bestehenden Systems ermittelt und zur Bildung von Korrekturwerten k herangezogen werden. Die Korrekturwerte k können dann in tabellarischer Form oder in anderer Konelation bezogen auf das jeweilige Segment Sn in einer Speicher- und/oder Recheneinheit 06 abgelegt sein. Bei Betrieb werden diese Korrekturwerte k entweder bei der Bestimmung des tatsächlichen Istwertes oder aber bei der Vorgabe eines korrigierten Sollwertes berücksichtigt. Dazu ist es notwendig eine eindeutige Zuordnung des einzelnen Segmentes Sn der m Segmente Sn jederzeit zu gewährleisten.
Die Anwendung dieser Tabelle bzw. Korrelation auf eine Messung ermöglicht in Praxisversuchen die Reduzierung von Umfangslageabweichungen um den Faktor 12, wobei dieser Wert von den Einbaugegebenheiten stark abhängt. Anhand der Korrekturtabelle ist ersichtlich, dass es sich um die Mischung verschiedener Fehler handelt (Ungleichmäßigkeit der Teilung, Exzentrizität).
Die Kalibriermessung erfolgt vorzugsweise in unbelastetem und vorteilhaft in ungetriebenem Zustand des Bauteils 01 während einer weitgehend gleichförmigen Bewegung, d. h. es sind, wenn überhaupt, lediglich langwellige (niedrigfrequente) Änderungen in der Winkelgeschwindigkeit zulässig. Letzteres ist beispielsweise der Fall, wenn ein frei laufender, vom Antrieb abgekoppelte Zylinder 01 ausläuft, d. h. er trudelt frei von äußeren Kräften aus. Vorteilhaft ist es, falls Änderungen in der Geschwindigkeit mit der Zeit vorliegen, dass diese ein monotones Verhalten, z. B. monoton fallend oder steigend, zeigen. Bei langwelligem, nicht monotonem Änderungsverhalten sollte eine Wiederholungs- bzw. Wellenlänge mehrere Umdrehungen U, z. B. mehr als drei Umdrehungen U aufweisen.
Teil des im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel für das Verfahren (siehe 2) ist es, einen Zylinder 01, insbesondere hohen Trägheitsmomentes, mit dem Geber 03 frei von äußeren Kräften austrudeln zu lassen. Dabei werden die Messimpulse des Winkelgebers 02 aufgenommen. Insbesondere werden die Zeitspannen jeweils zwischen zwei Impulsen, d. h. die Zeitspanne zwischen zwei Segmenten Sn, aufgenommen. Im Idealfall einer vollkommen gleichförmigen Bewegung des Zylinders 01 und fehlerfreiem System mit äquidistanten Segmenten Sn sollten die Zeitintervalle jeweils gleich groß sein, d.h. die Signale aufgetragen gegen die Zeitintervalle eine Konstante, also eine horizontale Linie ergeben. Liegen bei gleichförmiger Zylinderbewegung Fehler im System vor, so oszilliert der Wert um einen konstanten Mittelwert. Im vorliegenden Fall eines austrudelnden, langsamer werdenden Zylinders 01 ist grundsätzlich mit einem Anstieg für die Größe der Zeitintervalle zu rechnen, dem jedoch die höherfrequenten Fehler überlagert sind.
Auch wenn die einzelnen Verhältnisse während dieses Austrudelorgangs nicht bekannt sind, so wird der Verlauf in geeigneten Bereichen durch ein Polynom i-ter Ordnung (Ausgleichspolynom), insbesondere niedriger Ordnung wie z. B. i = 1 bis 5, insbesondere 2 oder 3, beschrieben. Dabei muss sich dieser Bereich über mehrere (diese sind geeignet zu wählen) Umdrehungen U erstrecken. Dadurch wird gewährleistet, dass die "drehzahlproportionalen Störungen" (z. B. Verlangsamen beim Austrudeln) und Störungen höherer Ordnung keinen Einfluss auf den Gesamtverlauf des Ausgleichspolynoms haben.
Es wird eine m-fache Segmentierung (z.B. m = 64 oder mehr) zu Grunde gelegt, so dass jedem Segment Sn, n = 1 .... m, ein Fehler zugeordnet werden kann. Zur Beschreibung der Messung wird als nächstgrößere Einheit eine Umdrehung U definiert, die einen Bereich über m Segmente Sn zusammenfasst. U = Sn + 1 ... Sn + m, n beliebig.
Ausgehend von einer so vorgenommenen Einteilung ergeben sich die folgenden Umdrehungen U entsprechend.
Das Messsignal M(U) ergibt sich mit den obigen Fehlerquellen als Produkt der wahren Bewegung B(U) und dem Fehler F(U). M(U) = B(U)·F(U)
Der Verlauf von M(U) über 2k + 1 Umdrehungen wird nun durch ein Polynom, z. B. 2. oder 3. Grades, ermittelt bzw. dargestellt, wobei hierfür (2k + 1)·m Stützstellen zur Verfügung stehen. Damit können, z. B. mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, die Koeffizienten des Polynoms P(U) bestimmt werden. Für den Fall, dass die Bewegung B(U) durch das Polynom P(U) wiedergegeben wird gilt: M(U)/P(U) = B(U)/P(U)·F(U) ≅ F(U), mit B(U)/P(U) ≅ 1
Exemplarisch ist dies in 3 und 4 dargestellt. In z. B. 20-facher Überhöhung der Störamplitude ist das Zeitsignal (entspricht z. B. den Zeitintervallen zwischen zwei Segmenten Sn) einer exemplarischen Messung dargestellt. Dabei ist in der Darstellung der Ausschnitt so gewählt, wie er zur Bestimmung des Ausgleichspolynoms benutzt ist; hier fünf Umdrehungen U vor und nach der zu bewertenden Umdrehung U. Wie oben genannt ist es zweckmäßig, die Ermittlung des Polynoms anhand eines Ausschnittes über mehrere, insbesondere über insgesamt mindestens drei, insbesondere mindesten fünf, Umdrehungen U durchzuführen (im Beispiel elf Umdrehungen U).
Parallelverschoben in 3 ist das gleiche Ausgleichspolynom und die zu betrachtende Umdrehung U (hier die sechzehnte) dargestellt.
Die erhaltenen Messwerte für die einzelnen Segmente Sn werden nun durch das Ausgleichspolynom dividiert, es ergeben sich hieraus die für jedes Segment Sn spezifischen Korrekturwerte k. Diese können beispielsweise in einer Tabelle in der Speicher- und/oder Recheneinheit 06 oder der Maschinensteuerung hinterlegt sein. 4 zeigt beispielhaft eine grafische Darstellung für tabellarisch hinterlegte Korrekturwerte k bezogen auf die einzelnen Segmente Sn. Die Korrekturwerte k können auch in anderer geeigneter Weise hinterlegt sein.
In Weiterbildung ermöglicht ein sukzessives Anwenden dieses Schemas auf eine möglichst große Anzahl von Umdrehungen U und ein Aufstellen einer gemittelten Korrekturtabelle zufällige Werte auszuschließen. Über die Verteilung der Werte der einzelnen Segmente Sn lässt sich die Güte beurteilen.

01: Bauteil, rotierend, Zylinder, Walze
02: Winkelgeber, inkremental
03: Skalenteil, Geber
04: Detektoreinheit
05: Detektoreinheit
06: Speicher- und/oder Recheneinheit
B: Bewegung
F: Fehler
M: Meßsignal
P: Polynom
Sn: Segment
U: Umdrehung
k: Korrekturwert
m: Anzahl der Segment Sn auf 360°

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines inkrementalen Winkelgebers (02) an einem rotierenden Bauteil (01), wobei – das einen Geber (03) tragende rotierende Bauteil (02) in eine im Wesentlichen ungestörte Drehbewegung versetzt wird, – und Abweichungen der gemessenen Zeitintervalle von einem für äquidistante Segmente zu erwartenden Verhalten am aus Winkelgeber (02) und Bauteil (01) bestehenden System ermittelt – und zur Bildung von Korrekturwerten (k) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Messwerte für zwischen benachbarten Segmenten (Sn) liegende Zeitintervalle gemittelt werden, – und dass zur Bildung der Korrekturwerte (k) der jeweilige Messwert für das Segment (Sn) ins Verhältnis zum entsprechenden gemittelten Wert gesetzt wird.
Verfahren zum Kalibrieren eines inkrementalen Winkelgebers (02) an einem rotierenden Bauteil (01), wobei – zunächst das Bauteil (01) in unbelastetem Zustand in eine rotatorische Bewegung versetzt wird, – zwischen dem Durchgang von Segmenten (Sn) des Winkelgebers (02) liegende Zeitintervalle während mehrerer Umdrehungen des Bauteils (01) aufgenommen werden, – eine Ausgleichskurve auf der Basis zumindest eines Ausschnittes der aufgenommenen Zeitintervalle ermittelt wird, – die aufgenommenen Messwerte der Zeitintervalle für die Segmente (Sn) in ein Verhältnis zu den entsprechenden Werten der Ausgleichskurve gesetzt, – und daraus erhaltene Korrekturwerte (k) in einer Speicher- und/oder Recheneinheit (06) abgelegt und vorgehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (01) während des Kalibrierens keine Antriebsverbindung zu seinem Antriebsmotor oder einem anderen, vom Bauteil (01) verschiedenen rotierenden Bauteil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (01) während des Kalibrierens mit einer annähernd gleichförmigen Bewegung, insbesondere einer bzgl. der Zeit monoton fallenden, einer konstanten oder einer monoton steigenden Geschwindigkeit bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung während eines freien Auslaufen Lassens des zuvor beschleunigten Bauteils (01) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichskurve als Polynom ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polynom i-ter Ordnung ermittelt wird mit i von 1 bis 5, insbesondere i = 2 oder 3.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen Messwerte der Zeitintervalle für die Segmente (Sn) zur Bildung der Korrekturwerte (k) durch die entsprechenden gemittelten Werte bzw. der Ausgleichskurve dividiert werden.
Verfahren zum Antrieb eines bzgl. seiner Winkellage geregelten Bauteils (01) mit einem Winkelgeber (02), einem das Bauteil (01) antreibenden Antriebes sowie einer Recheneinheit (06) zum Vergleich von Ist- und Sollwert für die Winkellage des Bauteils (01) bzw. dessen Antriebes, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des tatsächlichen Istwertes oder aber bei der Vorgabe eines neuen Sollwertes Korrekturwerte (k) berücksichtigt werden, welche in einer Speicher- und/oder Recheneinheit (06) vorgehaltene sind und geberspezifische und/oder systemspezifische Fehler in der Messung des Winkels bzw. der Winkelgeschwindigkeit vermindern.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Korrekturwerte (k) eine Ungleichmäßigkeit der Teilung am Geber (03), eine Richtungsabweichung der Teilung am Geber (03), eine Exzentrizität der Teilung am Geber (03) zu einer Lagerung des Bauteils (01), eine Rundlaufabweichung der Lagerung und/oder eine fehlerhafte Ankopplung des Gebers (03) an das Bauteil (03) vermindert wird.