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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drehkodierer und insbesondere
einen Inkrementalkodierer und einen Absolutkodierer, wobei der Drehkodierer
für eine Überwachungsvorrichtung und dgl. verwendbar
ist und zum Selbstkalibrieren eines Messwerts in der Lage ist.
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Technischer Hintergrund
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Eine Überwachungsvorrichtung
weist einen Drehkodierer zum Messen eines horizontalen Winkels und
eines vertikalen Winkels auf. Bei dem Drehkodierer handelt es sich
um eine Vorrichtung, die einen horizontalen Winkel und einen vertikalen
Winkel mittels einer Drehscheibe, welche sich in Verbindung mit
einem Teleskop dreht, und eines Detektors misst, welcher eine entlang
der Umfangsrichtung dieser Drehscheibe angeordnete Skala liest.
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Drehkodierer
umfassen Inkrementalkodierer und Absolutkodierer. Ein Inkrementalkodierer
ist mit einer Drehscheibe versehen, die eine Skala (Schlitze) mit
gleichen Intervallen und gleicher Breite aufweist. Dieser Inkrementalkodierer
strahlt aus einer Lichtquelle ausgegebenes Licht auf die Drehscheibe aus
und detektiert mit Hilfe eines Photodetektors die Helligkeit/Dunkelheit
entsprechend einer auf der Skala angeordneten Zahl, um den Drehwinkel
der Drehscheibe zu messen.
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Ein
Absolutkodierer weist z. B. gemäß 1 eine
Drehscheibe 1 auf, in der Schlitze ausgebildet sind, und
zwar schmale Schlitze, die 0 bedeuten, und breite Schlitze, die
1 bedeuten, wobei die Schlitze z. B. Winkelcodes 11 bilden,
welche die Winkel entlang eines Umfangsbereichs der Drehscheibe
angeben. Dieser Absolutkodierer strahlt aus einer Lichtquelle (LED) 2 ausgegebenes
Licht unter Ausgabesteuerung durch eine CPU 6 auf die Drehscheibe 1 und
detektiert den Winkelcode 11 mit einem Linearsensor 3. Ein
Ausgangssignal des CCD-Sensors 3 wird über einen
A/D-Umsetzer 5 in die CPU 6 eingegeben. Die CPU 6 dekodiert
dann den Winkelcode 11 und führt einen entsprechenden
Interpolationsvorgang aus, um dadurch den Absolutwinkel der Drehscheibe 1 zu berechnen
und den Absolutwinkel auf der Anzeigeeinheit 7 anzuzeigen
(siehe die im Folgenden angegebene Patentschrift 1).
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Bei
dem für eine Überwachungsvorrichtung verwendeten
herkömmlichen Drehkodierer sind jedoch aufgrund der Schwierigkeit,
die Drehscheibe 1 ohne Exzentrizität an der Drehwelle
zu befestigen und die Skala und die Winkelcodes genau mit gleichen
Intervallen anzuordnen, Fehler bei den Messwerten aufgetreten. Zur
Beseitigung derartiger Fehler wurde die Durchführung einer
Selbstkalibrierung durch zwei Messvorgänge entsprechend
den ISO- und JSIM-Normen vorgesehen. Für diese Selbstkalibrierung
sind Kollimatoren um die Überwachungsvorrichtung herum
angeordnet, wobei die Kollimatoren kollimiert werden, während
die Überwachungsvorrichtung um einen geeigneten Winkel
gedreht wird und ein Skalen- oder Winkelcode-Fehler gemessen wird.
- Patentschrift 1: Japanische
veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung Nr.
2002-13949
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösende
Probleme
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Bei
der oben beschriebenen Kalibrierung durch zwei Messungen ist jedoch
nicht nur eine von Hand durchgeführte Kollimation erforderlich,
sondern es wird auch eine Zeitdauer von ungefähr einer
Stunde benötigt, so dass sich das Problem eines großen Arbeitsaufwands
für die Bedienungsperson ergibt. Zudem kann eine unerfahrene
Bedienungsperson den Kollimationsfehler möglicherweise
noch vergrößern, so dass auch das Problem einer
mangelnden Präzision der Selbstkalibrierung entsteht. Ferner
ist problematisch, dass eine Apparatur, die mehrere Kollimatoren
erfordert, kostenaufwendig ist. Ein weiteres Problem besteht in
der Schwierigkeit, eine Selbstkalibrierung bei einem Vertikalkodierer
durchzuführen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund der oben aufgeführten
Probleme konzipiert, und es ist Aufgabe der Erfindung, einen Drehkodierer
zu schaffen, der in der Lage ist, eine Selbstkalibrierung bei einem
Horizontalkodierer sowie bei einem Vertikalkodierer ohne das Erfordernis
einer speziellen Apparatur einfach und kostengünstig, mit einem
hohen Grad an Präzision und unter reduzierter Arbeitsbelastung
für die Bedienungsperson auszuführen.
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Vorkehrungen zum Lösen
der Probleme
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Zur
Lösen der oben aufgeführten Probleme wird gemäß Anspruch
1 der Erfindung ein Drehkodierer geschaffen, der versehen ist mit:
einer Drehscheibe mit einem Winkelcode; einer Lichtquelle zur Beleuchtung
des Winkelcodes; einem Detektor zum Lesen des Winkelcodes; und einer
Verarbeitungseinheit, die jedes Mal, wenn die Drehscheibe um einen vorbestimmten
Winkel gedreht wird, einen Lesewert f(θ) auf der Basis
des von dem Detektor gelesenen Winkelcodes ermittelt, wobei, wenn
der Drehwinkel der Dreh scheibe mit θ bezeichnet ist und
ein beliebiger, von dem Drehwinkel θ ausgehender und innerhalb
des Lesebereichs an dem Detektor gelegener Winkel mit Φ bezeichnet
ist, die Verarbeitungseinheit Lesewerte f(θ + Φ)
und f(θ) innerhalb des Lesebereichs an dem Detektor ermittelt
und den Lesewert f(θ) auf der Basis einer Veränderung
der Differenz g(θ, Φ) zwischen den Lesewerten
f(θ + Φ) und f(θ) selbstkalibriert, wenn
die Drehscheibe um eine Drehung gedreht wird.
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Gemäß Anspruch
2 der Erfindung in Abhängigkeit von Anspruch 1 der Erfindung
ist die Drehposition der Drehscheibe, an der die Lesewerte f(θ + Φ) und
f(θ) ermittelt werden, vorgesehen als Position entsprechend
einer im Wesentlichen gleichmäßigen Unterteilung
von 360°, und als Position, an der der Lesebereich an dem
Detektor sich mit einer hierzu benachbarten Drehposition überlappt,
und es werden ein Mittelwert gm(Φ)
der Differenzen g(θ, Φ) zwischen den Lesewerten
f(θ + Φ) und f(θ) beim Durchlaufen einer
Drehung, und Abweichungen h(θ, Φ) zwischen den
Differenzen g(θ, Φ) und dem Mittelwert gm(Φ) an jeweiligen Drehpositionen
ermittelt, und durch ein Anordnen derart, dass sich die Abweichungen
h(θ, Φ) in Bereichen überlappen, wo sich
die Lesebereiche zwischen benachbarten Drehwinkelpositionen überlappen,
wird eine Selbstkalibrierung des Lesewerts f(θ) von 0 bis
360° durchgeführt.
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Gemäß Anspruch
3 der Erfindung in Abhängigkeit von Anspruch 1 der Erfindung
ist die Drehposition der Drehscheibe, an der die Lesewerte f(θ + Φ) und
f(θ) ermittelt werden, vorgesehen als Position entsprechend
einer im Wesentlichen gleichmäßigen Unterteilung
von 360°, und auf der Basis einer Veränderung
der Differenz g(θ, Φ) zwischen den Lesewerten
f(θ + Φ) und f(θ) wird die Differenz
g(θ, Φ) als Fourier-Reihe bestimmt, und auf der
Basis des Ergebnisses wird eine Selbstkalibrierung des Lesewerts
f(θ) von 0 bis 360° durchgeführt.
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Gemäß Anspruch
4 der Erfindung in Abhängigkeit von Anspruch 3 der Erfindung
werden in der Fourier-Reihe eine oder mehrere beliebige höhere Oberschwingungen
bestimmt.
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Gemäß Anspruch
5 der Erfindung in Abhängigkeit von den Ansprüchen
1, 2, 3 oder 4 der Erfindung werden für den beliebigen
Winkel Φ eine oder mehrere beliebige Positionen verwendet.
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Gemäß Anspruch
6 der Erfindung in Abhängigkeit von den Ansprüchen
1, 2, 3, 4 oder 5 der Erfindung werden die Lesewerte f(θ + Φ)
und f(θ) durch Mittelung einer großen Anzahl von
Lesewerten ermittelt.
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Ergebnisse der Erfindung
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Gemäß Anspruch
1 der vorliegenden Erfindung können jedes Mal, wenn die
Drehscheibe um einen vorbestimmten Winkel gedreht wird, wenn der Drehwinkel
der Drehscheibe mit θ bezeichnet ist und ein beliebiger,
von dem Drehwinkel θ ausgehender und innerhalb des Lesebereich
an dem Detektor gelegener Winkel mit Φ bezeichnet ist,
Lesewerte f(θ + Φ) und f(θ) innerhalb
des Lesebereichs an dem Detektor ermittelt werden, und der Lesewert
f(θ) wird auf der Basis einer Veränderung der
Differenz g(θ, Φ) zwischen den Lesewerten f(θ + Φ)
und f(θ) selbstkalibriert, wenn die Drehscheibe um eine
Drehung gedreht wird, und somit kann eine Selbstkalibrierung bei einem
Horizontalkodierer und bei einem Vertikalkodierer ohne das Erfordernis
einer speziellen Apparatur einfach und kostengünstig, mit
einem hohen Grad an Präzision und unter reduzierter Arbeitsbelastung für
die Bedienungsperson ausgeführt werden, und der Messwinkel
kann mit hoher Präzision ermittelt werden.
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Gemäß Anspruch
2 der vorliegenden Erfindung ist die Drehposition der Drehscheibe,
an der die Lesewerte f(θ + Φ) und f(θ)
ermittelt werden, vorgesehen als Position entsprechend einer im
Wesentlichen gleichmäßigen Un terteilung von 360°,
und als Position, an der der Lesebereich an dem Detektor sich mit
einer hierzu benachbarten Drehposition überlappt, und es
werden ein Mittelwert gm(Φ) der Differenzen
g(θ, Φ) zwischen den Lesewerten f(θ + Φ)
und f(θ) beim Durchlaufen einer Drehung, und Abweichungen
h(θ + Φ) zwischen den Differenzen g(θ, Φ)
und dem Mittelwert gm(Φ) an jeweiligen
Drehpositionen ermittelt, und durch ein Anordnen derart, dass sich
die Abweichungen h(θ + Φ) in Bereichen überlappen,
wo sich die Lesebereiche zwischen benachbarten Drehwinkelpositionen überlappen,
wird eine Selbstkalibrierung des Lesewerts f(θ) von 0 bis
360° durchgeführt, und somit kann die Selbstkalibrierung schneller
ausgeführt werden.
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Gemäß Anspruch
3 der vorliegenden Erfindung ist die Drehposition der Drehscheibe,
an der die Lesewerte f(θ + Φ) und f(θ)
ermittelt werden, vorgesehen als Position entsprechend einer im
Wesentlichen gleichmäßigen Unterteilung von 360°,
und auf der Basis einer Veränderung der Differenz g(θ, Φ) zwischen
den Lesewerten f(θ + Φ) und f(θ) wird
die Differenz g(θ, Φ) als Fourier-Reihe bestimmt,
und auf der Basis des Ergebnisses wird eine Selbstkalibrierung des
Lesewerts f(θ) von 0 bis 360° durchgeführt, und
somit kann nicht nur weiterhin eine hochpräzise Selbstkalibrierung
durchgeführt werden, sondern es kann auch der Betrag des
Messwinkels mit hoher Präzision ermittelt werden.
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Gemäß Anspruch
4 der Erfindung werden ferner in der Fourier-Reihe eine oder mehrere
beliebige höhere Oberschwingungen bestimmt, und somit kann
die Präzision der Kalibrierung verbessert werden, ohne
die für die Kalibrierung erforderliche Zeit wesentlich
zu verlängern.
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Gemäß Anspruch
5 der Erfindung werden für den beliebigen Winkel Φ eine
oder mehrere beliebige Positionen verwendet, und somit kann die
Präzision der Kalibrierung weiter verbessert werden.
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Gemäß Anspruch
6 der Erfindung werden ferner die Lesewerte durch Mittelung einer
großen Anzahl von Lesewerten ermittelt, und somit kann
der Ein fluss von Rauschen und dgl. reduziert werden, und die Selbstkalibrierung
kann mit einem höheren Maß an Präzision
ausgeführt werden.
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Beste Art der Ausführung
der Erfindung
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit den
Zeichnungen detailliert beschrieben. Zunächst wird eine
erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand
von 2 bis 4 beschrieben. 2 zeigt
eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Positionsbeziehung zwischen
einer Drehscheibe und einem CCD-Linearsensor in einem (im Folgenden
einfach als Kodierer bezeichneten) Absolutkodierer gemäß der
vorliegenden Ausführungsform. 3 zeigt
Ansichten zur Veranschaulichung des Selbstkalibrierungsverfahrens dieses
Kodierers. 4 zeigt ein Flussdiagramm der Selbstkalibrierungsvorgänge
dieses Kodierers. Dieser Kodierer hat mit der Ausnahme, dass er
eine im Folgenden zu beschreibende Selbstkalibrierungsfunktion aufweist,
die gleiche Konfiguration wie diejenige eines herkömmlichen
Kodierers gemäß 1. Aus diesem
Grund wird hier keine Beschreibung der Konfiguration dieses Kodierers
gegeben. Im Folgenden wird die Selbstkalibrierungsfunktion dieses
Kodierers detailliert beschrieben.
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In
der Draufsicht gemäß 2 ist ein
Ausgangspunkt einer vertikalen Linie, die von der Mitte O einer
Drehscheibe 1 zu einem CCD-Linearsensor 3 gezogen
ist, mit A gekennzeichnet. Ferner ist ein passender Punkt des Linearsensors 3 mit
B gekennzeichnet. Eine CPU 6 kann jeweilige Winkelcodes 11, die
an der Drehscheibe 1 direkt unter dem Punkt A und dem Punkt
B angebracht sind, mittels des Linearsensors 3 lesen, um
Winkel-Lesewerte f(θ) und f(θ + Φ) an
dem Punkt A bzw. dem Punkt B zu bestimmen. Hier ist der tatsächliche
Winkel des Punkts A, der aus der 0°-Richtung M her gebildet
ist, mit θ bezeichnet, und der tatsächliche Winkel
eines Winkels AOB ist mit Φ bezeichnet.
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Die
Lesewerte f(θ) und f(θ + Φ) sind jedoch periodische
Funktionen mit einer Periode von 360° und können
somit durch die folgenden Ausdrücke unter Verwendung der
Fourier-Reihe ausgedrückt werden. f(θ) = θ + Σn=1 M/2An·sin(nθ + αn) (1) f(θ + ϕ) = (θ + ϕ)
+ Σn=1 M/2An·sin{n(θ + ϕ)
+ αn} (2)
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Hier
bezeichnet n eine natürliche Zahl (1, 2, 3, ... M/2), welche
die Ordnung einer höheren Oberschwingung ausdrückt,
An bezeichnet die Amplitude der n-ten höheren
Oberschwingung, an bezeichnet eine Anfangsphase der n-ten höheren
Oberschwingung, und M bezeichnet eine Skalen-Zahl, bei der es sich
um eine gerade Zahl handelt.
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Somit
wird durch einen Vergleich zwischen den jeweiligen Lesewerten f(θ)
und f(θ + Φ) des Punktes A und des Punktes B die
Differenz zwischen ihnen bestimmt, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt
wird. g(θ, ϕ) =
f(θ + ϕ) – f(θ) (3)
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Die
Differenz g(θ, Φ) kann basierend auf den Gleichungen
(1) und (2) durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. g(θ, ϕ) = f(θ + ϕ) – f(θ)
=
(θ + ϕ) + Σn=1 M/2An·sin{n(θ + ϕ)
+ αn}
– θ + Σn=1 M/2An·sin(nθ + αn) (4)
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Durch
weitere Berechnung lässt sich g(θ, Φ) schließlich
durch die folgende Gleichung ausdrücken. g(θ, ϕ)
= ϕ + Σn=1 M/2An·sin(nθ/2)·cos{n(θ + ϕ/2)
+ αn}
= B0 + Σn=1 M/2Bn·sin(nθ + βn) (5)
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Hier
sind ϕ = Bo (6) An = Bn/sin(nϕ/2) (7) αn = βn – nϕ/2
+ π/2 (8)
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Auf
diese Weise kann g(θ, Φ) auch durch eine Fourier-Reihe
mit einer Periode von 360° ausgedrückt werden.
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Somit
wird gemäß 3(A) an
einer Position mit einem Drehwinkel θj,
an der die Drehscheibe 1 nur um einen vorbestimmten Winkel
(z. B. 5°) gedreht worden ist, welcher durch Unterteilung
von 360° in N gleiche Teile erhalten wurde, beim Ermitteln
der Lesewerte an dem Punkt A und dem Punkt B der Betrag g(θ, Φ)
für jeden in der Gleichung (3) gezeigten vorbestimmten
Winkel θj in der in 3(B) gezeigten Weise bestimmt. Hier ist
j = 0, 1, 2, 3 ... N – 1. Nachdem g(θ, Φ)
für jeden vorbestimmten Winkel θj ermittelt
worden ist, können die betreffenden Koeffizienten B0, Bn und βn der Fourier-Reihe in der Gleichung (5) durch
ein bekanntes Verfahren berechnet werden. Nachdem B0,
Bn und βn somit
bestimmt worden sind, können ferner durch die Gleichungen
(6), (7) und (8) auch Φ, An und αn bestimmt werden. Nachdem An und αn somit ermittelt worden sind, kann der tatsächliche
Winkel θ anhand der folgenden Gleichung ermittelt werden,
die eine Modifikation der Gleichung (1) ist. θ = f(θ) – Σn=1 M/2An·sin(nθ + αn) = f(θ) – E(θ) (9)
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Hier
bedeutet E(θ) = Σn-1 M/2An·sin(nθ + αn) eine Fehlerfunktion. Es besteht hier bei
einer Fourier-Reihe mit der Fehlerfunktion E(θ) keine Notwendigkeit,
höhere Oberschwingungen einer übermäßig hohen
Ordnung zu bestimmen, und bei einem Drehkodierer mit entgegengesetzter
Detektion ist ein exzentrischer Fehler beseitigt worden, und somit
ist es oft ausreichend, die zweithöhere Oberschwingung
(n = 2) zu bestimmen. Selbst wenn die dritte und höhere Oberschwingungen
bestimmt werden, vergrößert dies nur den Rechenaufwand
und die Speicherkapazität, während die Präzision
der Kalibrierung in den meisten Fällen nicht sehr verbessert
wird.
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Zur
Realisierung einer höheren Präzision der Kalibrierung
ist es erforderlich, den Einfluss von Rauschen und dgl. zu beseitigen.
Deshalb werden zum Zeitpunkt der Winkelmessung die Lesewerte f(θ)
und f(θ + Φ) bestimmt, indem die Datenerfassung
aus dem CCD-Linearsensor 3 viele Male durchgeführt wird
und ein Mittelwert errechnet wird. Wie aus der obigen Beschreibung
ersichtlich ist, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform
die Fehlerfunktion E(θ) eines gemessenen Winkelbetrags
bestimmt, ohne dass dazu ein erfahrener Ingenieur oder eine kostenaufwendige
Apparatur erforderlich sind, und es kann eine höhere Präzision
der Kalibrierung realisiert werden.
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Die
vorstehend beschriebene Selbstkalibrierung wird von der CPU 6 ausgeführt.
Die Arbeitsschritte dieser Selbstkalibrierung sind in 4 aufgeführt.
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Zuerst
rückt beim Start eines Selbstkalibrierungsprogramms der
Ablauf auf Schritt S1, um die Lesewerte f(θj)
und f(θj + Φ) direkt an
den beiden Punkten A und B des CCD-Linearsensors 3 zu ermitteln.
Nachdem dieser Lesevorgang in einer vorbestimmten Häufigkeit
ausgeführt worden ist, rückt der Ablauf auf Schritt
S2, um den Mittelwert der Lesewerte f(θj + Φ)
und f(θj) zu berechnen. Dann rückt
der Ablauf auf Schritt S3, um die Differenz g(θj, Φ) = f(θj + Φ) – f(θj) zwischen den beiden Lesewerten f(θj + Φ) und f(θj)
zu berechnen und zu speichern.
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Als
Nächstes rückt der Ablauf auf Schritt S4, um zu
prüfen, ob sämtliche möglichen Daten
erfasst worden sind, d. h. um zu prüfen, ob g(θj, Φ) für jeden vorbestimmten
Winkel θj erfasst worden ist. Die
Prüfung, ob g(θj, Φ)
für erfasst worden ist, erfolgt z. B. in Intervallen von
5° beim Durchlauf über 360°. Falls nicht
sämtliche möglichen Daten erfasst worden sind, rückt
der Ablauf auf Schritt S5, die Drehscheibe 1 wird manuell
um einen vorbestimmten Winkel gedreht (auch eine Automatisierung
durch einen Schrittmotor oder dgl. ist möglich), und der
Ablauf kehrt zu Schritt S1 zurück. Anschließend
werden die Schritte S1 bis S5 wiederholt, um g(θj, Φ) für jeden vorbestimmten
Winkel θ zu bestimmen und zu speichern.
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Wenn
in Schritt S4 festgestellt wird, dass die Datenerfassung in der
vorbestimmten Häufigkeit abgeschlossen worden ist, rückt
der Ablauf auf Schritt S6, um auf der Basis von g(θj, Φ) für jeden vorbestimmten
Winkel θj die in der Gleichung
(5) aufgeführten Koeffizienten der Fourier-Reihe von g(θ, Φ)
zu berechnen, d. h. B0, Bn und βn. Anschließend rückt der
Ablauf auf Schritt S7, um auf der Basis dieser Werte B0,
Bn und βn Koeffizienten
einer Fourier-Reihe einer Fehlerfunktion E(θ) des Lesewerts
f(θ) zu berechnen, d. h. An und αn. Dann rückt der Ablauf auf Schritt
S8, um diese Werte An und αn zu bestimmen und zu speichern. Dies ermöglicht
bei der nachfolgenden Messung ein präzises Bestimmen des
tatsächlichen Winkels θ auf der Basis des Lesewerts f(θ)
mittels der Gleichung (9).
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Im
Folgenden wird anhand von 2, 5 und 6 eine
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Gemäß 2 kann an der Position mit dem
Drehwinkel θ der Drehscheibe 1 innerhalb des Lesebereichs
des Linearsensors 3, wenn der Wert von Φ variiert
wird, während θ festgelegt ist, eine Veränderung
in dem Lesewert f(θ + Φ) bestimmt werden. Ähnlich
wie bei den oben erwähnten Gleichungen (1) und (2) werden
die Lesewerte f(θ + Φ) und f(θ) durch
die folgenden Gleichungen ausgedrückt. f(θ) = θ + Σn=1 ∞An·sin(nθ + αn) = θ + E(θ) (11) f(θ + ϕ) = (θ + ϕ)
+ Σn=1 ∞An·sin{n(θ + ϕ)
+ αn}
= (θ + ϕ)
+ E(θ + ϕ) (12)
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Dabei
bedeutet E(θ) eine Fehlerfunktion.
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Hier
wird die Differenz g(θ, Φ) zwischen beiden Lesewerten
f(θ + Φ) und f(θ) gemäß der
folgenden Gleichung berechnet. g(θ, ϕ)
= f(θ + ϕ) – f(θ) (13)
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Bei
Einsetzen der Gleichungen (11) und (12) in die Gleichung (13) erhält
man die folgende Gleichung. g(θ, ϕ)
= ϕ + E(θ + ϕ) – E(θ) (14)
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Nun
wird gemäß 5(A) an
einer Position mit einem Drehwinkel θj,
an welcher die Drehscheibe 1 nur um einen vorbestimmten
Winkel (z. B. 5°) gedreht worden ist, der durch Unterteilung
von 360° in N gleiche Teile erhalten wurde, bei Bewegung
des Punkts B, d. h. während Φ variiert wird, ein
Lesewert f(θj + Φ) an
dem Punkt B innerhalb des Lesebereichs des CCD-Linearsensors 3 erfasst.
An benachbarten Drehpositionen θj-1, θj und θj+1 jedoch überlappen
die Lesebereiche von f(θj-1, Φ'),
f(θj, Φ) und f(θj+1, Φ'') einander, wobei j = 0,
1, 2, 3 ... N – 1. Somit wird der in Gleichung (13) aufgeführte
Wert g(θj, Φ) für
jeden vorbestimmten Winkel θj bestimmt,
und ein Mittelwert gm(Φ) dieses
Werts g(θj, Φ) wird entsprechend
der folgenden Gleichung festgestellt. gm(ϕ) = {Σj=0 N-1g(θj, ϕ)}/N ≈ ϕ (15)
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Somit
erfolgt im Weiteren die Berechnung von h(θj + Φ)
wie durch die folgende Gleichung (16) definiert. h(θj, ϕ)
= g(θj, ϕ) – gm(ϕ) (16)
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Bei
Einsetzen der Gleichungen (14) und (15) in die Gleichung (16) erhält
man die folgende Gleichung. h(θj, ϕ) ≈ E(θj, ϕ) – E(θj) (17)
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Hier,
wo E(θj) als Cj vorgesehen
ist, wenn E(θj) unter der Annahme
als Konstante betrachtet wird, dass die Position von θj auf einen Basispunkt gesetzt ist, kann
die Gleichung (17) in Form der folgenden Gleichung ausgedrückt
werden. h(θj, ϕ) ≈ E(θj + ϕ) – Cj (18)
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Obwohl
dieser Wert Cj eine Unbekannte ist, müssen,
da die Lesebereiche an den benachbarten Drehpositionen θj–1 und θj einander überlappen,
h(θj-1, Φ') und h(θj, Φ) in dem Überlappungsbereich
miteinander übereinstimmen. Ein Versatz-Einstellbetrag ΔCj zwischen diesen wird durch die folgende
Gleichung ausgedrückt. ΔCj = Cj – Cj-1 (19)
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Wenn
h(θj, Φ), das durch diesen
Versatz-Einstellbetrag ΔCj eingestellt
worden ist, als h'(θj, Φ)
angegeben wird, lautet h'(θj, Φ)
wie in der folgenden Gleichung angegeben. h'(θj, ϕ)
= h(θj + ϕ) + ΔCj (20)
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Anschließend
wird ΔCj für jeden Winkel θj eingestellt, und bei Einsetzen der Gleichungen
(18) und (19) in die Gleichung (20) ergibt sich die folgende Gleichung. h'(θj, ϕ)
= E(θj + ϕ) + Cj-1 (21)
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Daraufhin
erhält man die folgende Gleichung für das beliebige θ. h'(θ, 0) = E(θ) + Cj-1 (22)
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Obwohl
dieser Wert h'(θ, 0) einen Versatzbetrag Cj-1 enthält,
kann Cj-1 normalerweise ignoriert werden,
um h'(θ, 0) im Wesentlichen gleich der Fehlerfunktion E(θ)
zu machen. Somit wird, wenn h'(θ, 0), das durch Hinzufügen
des Versatz-Einstellbetrags ΔCj auf
den durch die Gleichung (16) bestimmten Wert h(θj, Φ) eingestellt worden ist, als
die Fehlerfunktion bestimmt wird, der tatsächliche Winkel θ durch
die folgende Gleichung bestimmt. θ =
f(θ) – h'(θ, 0) (23)
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Als
Nächstes werden die Verfahrensschritte dieser Selbstkalibrierung
im Zusammenhang mit 6 erläutert. Beim Start
eines Selbstkalibrierungsprogramms rückt der Ablauf zunächst
auf Schritt S11, um Lesewerte f(θj + Φ)
und f(θj) direkt innerhalb einer großen
Anzahl von Punkten auf dem CCD-Linearsensor 3 zu erfassen,
während Φ variiert wird. Nachdem dieser Lesevorgang
in einer vorbestimmten Häufigkeit ausgeführt worden
ist, rückt der Ablauf auf Schritt S12, um den Mittelwert
der Lesewerte f(θj + Φ) und
f(θj) zu berechnen. Dann rückt
der Ablauf auf Schritt S13, um die Differenz g(θj, Φ) = f(θj + Φ) – f(θj) zwischen den beiden Lesewerten zu berechnen.
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Als
Nächstes rückt der Ablauf auf Schritt S14, um
zu prüfen, ob sämtliche möglichen Daten
erfasst worden sind, d. h. um zu prüfen, ob g(θj, Φ) entsprechend θj für jeden vorbestimmten Winkel
erfasst worden ist. Die Prü fung, ob g(θj, Φ) für θ erfasst
worden ist, erfolgt z. B. in Intervallen von 5° beim Durchlauf über
360°. Falls nicht sämtliche möglichen
Daten erfasst worden sind, rückt der Ablauf auf Schritt
S15, die Drehscheibe 1 wird manuell um einen vorbestimmten
Winkel gedreht (ebenfalls ist eine Automatisierung durch einen Schrittmotor
oder dgl. möglich), und der Ablauf kehrt zu Schritt S1
zurück. Anschließend werden die Schritte S1 bis
S5 wiederholt, um g(θj, Φ)
für jeden vorbestimmten Winkel θj zu
bestimmen und zu speichern.
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Wenn
in Schritt S14 festgestellt wird, dass die gesamte mögliche
Datenerfassung abgeschlossen worden ist, rückt der Ablauf
auf Schritt S16, um einen Mittelwert gm(Φ)
von g(θj, Φ) zu speichern
(siehe Gleichung (15)). Anschließend rückt der
Ablauf auf Schritt S17, um h(θj, Φ)
= g(θj, Φ) – gm(Φ) zu berechnen (siehe Gleichung
(16)). Dann rückt der Ablauf auf Schritt S18, um den Versatzeinstellbetrag ΔCj zwischen h(θj-1, Φ')
und h(θj, Φ) berechnen
(siehe Gleichung 19). Anschließend rückt der Ablauf
auf Schritt 19, um den Versatzeinstellbetrag ΔCj dem Betrag h(θj,
0) hinzuzuaddieren und die Fehlerfunktion h'(θ, 0) zu bestimmen
und zu speichern.
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Dies
erlaubt bei der nachfolgenden Messung eine präzise Bestimmung
des tatsächlichen Winkels θ auf der Basis des
Lesewerts f(θ) mittels der Gleichung (23). Bei der vorliegenden
Ausführungsform kann, da die Fehlerfunktion h'(θj, 0) mit geringem Rechenaufwand bestimmt
werden kann, die zur Selbstkalibrierung erforderliche Zeit reduziert
werden.
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Die
vorstehenden Ausführungsformen können jedoch auch
auf verschiedene Arten modifiziert werden. Beispielweise ist es
nicht immer erforderlich, die Lesewerte f(θ) und f(θ + Φ)
direkt unter dem Ausgangspunkt A einer vertikalen Linie, die von
der Mitte O einer Drehscheibe 1 zu dem CCD-Linearsensor 3 gezogen
ist, und dem Punkt B an dem CCD-Linearsensor 3 zu bestimmen,
und die Werte können an mehreren Positionen gelesen werden,
die beliebig von dem CCD-Linearsensor 3 bestimmt werden.
Ferner besteht die Möglichkeit, einen dritten Punkt an dem
CCD-Linearsensor 3 in 2 zu wählen, eine Gleichung
(2') durch Einsetzen von Φ = Φ3 in
die genannte Gleichung (2) vorzubereiten, die Lesewerte entsprechend
den genannten Gleichungen (1) und (2) bzw. den genannten Gleichungen
(1') und (2') zu bestimmen, auf deren Basis die Fehlerfunktionen E(θ)
separat zu bestimmen und einen Mittelwert zu berechnen. Möglich
ist ferner, die Gleichung (2'') zu erstellen, indem Φ = Φn (n = 1, 2, 3 ...) in die zuvor aufgeführte
Gleichung (2) eingesetzt wird, dann die Lesewerte entsprechend den
zuvor aufgeführten Gleichungen (1) bzw. (2'') zu bestimmen,
auf diesen basierend eine Fehlerfunktion E(θ) zu bestimmen und
einen Mittelwert zu berechnen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Blockschaltbild von Drehkodierern gemäß der
vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik.
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2 zeigt
eine Draufsicht zur Darstellung einer Positionsbeziehung zwischen
einer Drehscheibe und einem CCD-Linearsensor bei dem Drehkodierer
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
Ansichten zur Veranschaulichung eines Selbstkalibrierungsverfahrens
bei einem Drehkodierer gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm zur Erläuterung von Selbstkalibrierungsschritten
bei dem zuvor genannten Drehkodierer.
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5 zeigt
Ansichten zur Veranschaulichung eines Selbstkalibrierungsverfahrens
bei einem Drehkodierer gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm zur Erläuterung von Selbstkalibrierungsschritten
bei dem zuvor genannten Drehkodierer gemäß der
zweiten Ausführungsform.
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ZUSAMMENFASSUNG
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[Zu
lösende Probleme] Schaffung eines Drehkodierers, der in
der Lage ist, eine Selbstkalibrierung bei einem Horizontalkodierer
sowie bei einem Vertikalkodierer ohne das Erfordernis einer speziellen
Apparatur einfach und kostengünstig, mit einem hohen Grad
an Präzision und unter reduzierter Arbeitsbelastung für
die Bedienungsperson auszuführen.
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[Vorkehrungen
zum Lösen der Probleme] Bei einem Drehkodierer mit einer
Drehscheibe (1), die einen Winkelcode (11) aufweist;
einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Winkelcodes; einem CCD-Linearsensor
(3) zum Lesen des Winkelcodes; und einer Verarbeitungseinheit,
die jedes Mal, wenn die Drehscheibe um einen vorbestimmten Winkel
gedreht wird, einen Lesewert f(θ) auf der Basis des von
dem CCD-Linearsensor (3) gelesenen Winkelcodes ermittelt,
wird, wenn der Drehwinkel der Drehscheibe mit θ bezeichnet
ist und ein von dem Drehwinkel θ ausgehender Winkel mit Φ bezeichnet
ist, auf der Basis einer Veränderung der Differenz g(θ, Φ)
zwischen den Lesewerten f(θ + Φ) und f(θ)
innerhalb des Lesebereichs an dem CCD-Linearsensor die Differenz g(θ, Φ)
als Fourier-Reihe bestimmt, und auf der Basis des Ergebnisses wird
eine Selbstkalibrierung des Lesewerts f(θ) von 0 bis 360° durchgeführt.
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Beschreibung der Symbole
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- 1 Drehkodierer
- 2 Lichtquelle
- 3 CCD-Linearsensor (Detektor)
- 6 CPU (Verarbeitungseinheit)
- 11 Winkelcode
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- θ, Φ Winkel
- f(θ), f(θ + Φ)Lesewert
- g(θ, Φ) = f(θ + Φ) – f(θ)
- g(Φ) = Mittelwert von g(θ, Φ)
- h(θ, Φ) = g(θ, Φ) – gm(Φ)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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