DE19920596A1 - Verfahren zum Messen der Relativlage zweier Objekte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Relativlage zweier Objekte, bei dem die Teilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers von wenigstens zwei mit dem anderen Objekt verbundenen Leseköpfen zur Erzeugung jeweils wenigstens eines Lesesignals abgetastet wird und bei der die Lesesignale der Leseköpfe zur Bildung von Meßwerten digitalisiert werden. DOLLAR A Um die Signale der Abtaststellen bezüglich ihrer Amplitude, des Offsets und der Phase zu korrigieren, exzentrizitätsbedingte Fehler auch für Exzentrizitäten größer einem Zehntel der Gitterkonstanten zu kompensieren, den Einfluß von äußeren Störeinflüssen auf die Meßgenauigkeit und die genaue Justierung der Amplitude und der Phasenlage der Abtastköpfe zu vermeiden sowie analoge Ausganssignale zu erzeugen, werden die mittels der Leseköpfe (LK1, LK2) erzeugten und digitalisierten Signale (DS1, DS2, DS3, DS4) wenigstens amplituden-, offset- oder 90 DEG phasenfehlerkorrigiert und zur Ermittlung von wenigstens zwei Positionswerten (POS1, POS2) verwendet, die nach arithmetischer Mittelung als korrigierter Positionswert (KPOS) in Form der korrigierten analogen Ausganssignale (KA1, KA2) erzeugt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Re­ lativlage zweier Objekte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Verfahren bzw. die dazu verwendeten Positionsmeßein­ richtungen sind allgemein bekannt, sie werden beispielsweise in Werkzeugmaschinen eingesetzt, um die Relativlage eines Werkzeu­ ges bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstückes zu bestimmen.

Kennzeichnend für Positionsmeßverfahren, die sowohl als absolute als auch als inkrementale Längen- oder Winkelmeßsysteme ausge­ führt sein können, ist die Verwendung eines Teilungsträgers, der eine Teilung als Maßverkörperung besitzt, die mit Hilfe einer Abtasteinheit zur Erzeugung periodischer Signale abgetastet wird, um so die Bewegung des Werkstückes relativ zu einem Be­ zugspunkt zu bestimmen.

Die Meßgenauigkeit derartiger Positionsmeßverfahren wird dadurch begrenzt, daß sowohl die Teilung des Teilungsträgers partielle Teilungsungenauigkeiten aufweist als auch bei Teilungsträgern, die aus mehreren aneinanderstoßenden Teilstücken bestehen, Stoß­ stellen mit fehlender Teilung zwischen den Teilstücken auftre­ ten. Zudem wird die Meßgenauigkeit von Winkelmeßeinrichtungen durch eine Exzentrizität zwischen dem Mittelpunkt der Winkeltei­ lung und der eigentlichen Drehachse begrenzt. Bei einem Tei­ lungsdurchmesser von beispielsweise 200 mm genügt eine Exzentri­ zität von nur 1 µm, um eine Maßabweichung von ± 2" zu bewirken. Diese Exzentrizität kann auch durch eine aufwendige konstruktive Anordnung in Form einer in der Winkelmeßeinrichtung integrierten Statorkupplung teilweise kompensiert werden. Derartige Stator­ kupplungen sind bekannt.

Aus der DE-OS 18 11 961 und der DE-PS 29 52 106 ist es bekannt, daß Einschränkungen der Meßgenauigkeit von Positionsmeßverfahren durch Teilungsfehler oder Exzentrizität mittels einer Abtastung des Teilungsträgers an mindestens zwei Abtaststellen weitgehend gedämpft werden. Die erzeugten periodischen Abtastsignale glei­ cher Phasenlage werden einander in analoger Form überlagert, so daß selbst im Bereich von Stoßstellen bei Ausfall eines Ab­ tastkopfes der zweite Abtastkopf noch ein ausreichendes Signal liefert. Bei einer Winkelmeßeinrichtung kann durch das Abtasten der Teilscheibe mit zwei diametral angeordneten Abtastköpfen der Exzentrizitätsfehler vollständig eliminiert werden. Weil in die­ sem Fall auf eine Kupplung zwischen Teilscheibe und Antriebswel­ le verzichtet werden kann, entfallen auch die Umkehrspanne und der Übertragungsfehler der Statorkupplung. Die Verwendung von vier Abtastköpfen in einer Winkelmeßeinrichtung führt zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit, bedingt durch die Kompensati­ on des Taumelfehlers der Drehachse.

Es ist weiterhin bekannt, daß bei der Überlagerung von Abtast­ signalen in analoger Form Auslöschungseffekte auftreten können, wenn die beispielsweise exzentrizitätsbedingten Phasenunter­ schiede zu groß werden. Dieser Effekt ist so zu verstehen, daß bei nicht vorhandener Exzentrizität und Verwendung von zwei Abtastköpfen jeweils zwei Abtastsignale mit 0° Phasenlage und 90° Phasenlage in analoger Form überlagert werden. Die zwei er­ haltenen Summensignale entsprechen in ihrer Phasenlage den Aus­ gangssignalen von 0° und 90°. Bei praktisch jedoch immer vorhan­ dener Exzentrizität kann es dazu kommen, daß der Phasenunter­ schied der jeweils in analoger Form überlagerten Signale so groß wird, daß beispielsweise das eine Signal um 90° voreilt und das andere Signal um 90° nacheilt. Damit würden sich beide Signale auslöschen und aus dem Summensignal kann kein Meßwert gebildet werden.

Gemäß dem aus der DE-OS 39 14 557 bekannten Stand der Technik sollte deshalb die noch zulässige Exzentrizität ein Zehntel der Gitterkonstanten (Periodenlänge) der Winkelteilung nicht über­ schreiten, um ein ausreichend stabiles Summensignal zu bilden. Dieser Grenzwert kann unter rauhen Industriebedingungen durch Vibrationen und Stöße, verursacht durch den Bearbeitungsvorgang, überschritten werden. In diesem Fall werden die Vorteile der Doppel- oder Vierfachabtastung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit mit dem Nachteil der extremen Störanfälligkeit bei großen Beschleunigungen verknüpft.

Aus US-PS 45 80 047 ist eine Winkelmeßeinrichtung mit zwei Abtast­ einheiten an zwei diametral gegenüberliegenden Abtaststellen bekannt, die eine Exzentrizitätskorrektur in Form der Mittelung von Zählimpulsen durchführt. Die beschriebene Vorrichtung er­ zeugt jedoch keine in für Bearbeitungsmaschinen auswertbarer analoger oder TTL-Rechteck-Form. Zusätzlich wird ein Fehlersi­ gnal generiert, wenn die Überwachung der Phasenlage der periodi­ schen Abtastsignale eine Überschreitung des Grenzwertes ergibt.

Die DE-OS 39 14 557 beschreibt schließlich eine Winkelmeßein­ richtung mit mehreren Abtasteinheiten, bei der der äußere Stö­ reinfluß dadurch kompensiert wird, daß im Störfalle nur eine Ab­ tasteinheit Verwendung findet. Wird das System nicht gestört, werden in bekannter Form an jeweils gegenüberliegenden Abtast­ stellen die Abtastsignale in analoger Form additiv überlagert, um eine Korrektur durchzuführen.

Bei dem aufgezeigten Stand der Technik wird es als nachteilig angesehen, daß die Art der Korrektur zum Erhalten von analogen Signalen nur für Exzentrizitäten bis zu einem Zehntel der Git­ terkonstante (Periodenlänge) durchgeführt werden kann, um eine zu starke Dämpfung der additiv überlagerten Signale zu vermei­ den. Die Abtastköpfe sind aufwendig zu justieren, um jeweils Sensorsignale mit 0° und 90° Phasenlage sowie gleicher Amplitude zu erzielen. Weiterhin wird nicht berücksichtigt, daß Abtastein­ heiten nicht zwangsläufig exakt sinusförmige Signale liefern. Abweichungen von der Sinusform sind durch offsetbehaftete Signa­ le, Abtastsignale des Abtastkopfes mit unterschiedlicher Ampli­ tude sowie Abtastsignale einer Abtasteinheit, die nicht exakt 90° Phasenunterschied besitzen, d. h. die Lissajous-Figur dieser beiden Signale ist nicht kreisförmig sondern elliptisch, gege­ ben. Diese Fehler führen zu systematischen Fehlern bei der In­ terpolation der Abtastsignale und beschränken so die erreichbare Genauigkeit des Meßsystems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Mes­ sen der Relativlage zweier Objekte mit mindestens zwei Abtast­ stellen aufzuzeigen, bei dem die Signale der Abtaststellen be­ züglich ihrer Amplitude, des Offsets und der Phase korrigiert werden, exzentrizitätsbedingte Fehler auch für Exzentrizitäten größer einem Zehntel der Gitterkonstanten (Periodenlänge) kom­ pensiert werden, äußere Störeinflüsse keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben, die genaue Justierung der Amplitude und der Phasenlage der Abtastköpfe entfällt sowie analoge Ausgangs­ signale erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit der Auswerteeinheit eine automatische Signalkor­ rektur der Abtastsignale in eine offsetfreie, amplituden- und phasenkorrigierte Sinusform generiert wird, die Exzentrizitäts­ korrektur auch bei starker Exzentrizität wirksam ist, äußere Störeinflüsse keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben und die Justage der Phasenlage der Leseköpfe zueinander nicht not­ wendig ist.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Un­ teransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In dieser Zeichnung ist ein Blockschaltbild einer Winkelmeßein­ richtung dargestellt, bei der eine Teilscheibe TS mit einer in­ krementalen Winkelteilung WT an einer Welle W befestigt ist, die mit einem nicht gezeigten drehbaren Objekt, beispielsweise mit einem Direktantrieb einer Bearbeitungsmaschine verbunden ist.

Die Leseköpfe LK1 bis LK4 sind mit einem ebenfalls nicht gezeig­ ten stationären Objekt, beispielsweise dem Maschinenbett der Be­ arbeitungsmaschine verbunden. Die Leseköpfe LK1 und LK2 sowie die Leseköpfe LK3 und LK4 tasten an jeweils diametral gegenüber­ liegenden Abtaststellen AS1 bis AS4 die Winkelteilung WT der Teilscheibe TS ab. Lesekopf LK1 und Lesekopf LK2 sind gegen den Lesekopf LK3 und den Lesekopf LK4 um jeweils 90° ± einer zulässi­ gen Toleranz versetzt. Die zulässige Toleranz wird je nach zu erreichender Unsicherheit des Meßsystems gewählt, beispielsweise ca. ± 1° bei einer gewünschten Unsicherheit des Meßsystems von ca. ± 3 Winkelsekunden.

Bei einer Drehung der Teilscheibe TS bezüglich der Leseköpfe LK1 bis LK4 erzeugen die Leseköpfe jeweils zwei periodische analoge Lesesignale LS1 und LS2, LS3 und LS4, LS5 und LS6, LS7 und LS8 mit einem Phasenversatz von 90°. Dieser Phasenversatz dient in bekannter Weise zur Bestimmung der Meßrichtung X der Teilscheibe TS. Wenn keine Exzentrizität vorhanden ist, besitzen aufgrund der zulässigen Toleranz bei der Anordnung der Leseköpfe LK1 bis LK4 die Lesesignale LS1, LS3, LS5, LS7 sowie LS2, LS4, LS6, LS8 nicht die bei der additiven Überlagerung notwendige 0° Phasenla­ ge sowie eine 90° Phasenlage, sondern eine beliebige Phasenlage. Die in diesem Fall mit Hilfe der digitalisierten Signale DS1 bis DS8 im Mikroprozessor MP mit Hilfe des bekannten arctan-Ver­ fahrens oder einer Tabelle ermittelten interpolierten Positions­ werte POS1 bis POS4 sind für exakt sinusförmige Eingangssignale identisch.

Der Mittelpunkt M der Teilscheibe TS und mit ihr die Winkeltei­ lung WT möge nun gegenüber der Drehachse D der Welle W die Ex­ zentrizität "e" aufweisen. Diese Exzentrizität e kann durch eine ungenaue Zentrierung des Mittelpunktes M der auf der Teilscheibe TS angeordneten Winkelteilung WT bezüglich der Drehachse D der Welle W durch Fehler bzw. durch starke Lasteinwirkung in der Welle W oder durch Erschütterungen und Vibrationen der Bearbei­ tungsmaschine bewirkt werden, wodurch die Teilscheibe TS aus ih­ rer Mittenlagerung mit einer Exzentrizität "e" entfernt wird. Diese Exzentrizität "e" bewirkt eine sogenannte Phasenverschie­ bung 2ß, die in ihrer Wirkung so zu verstehen ist, daß der er­ mittelte Positionswert POS1 des Lesekopfes LK1 um die Winkeltei­ lung WT bezogene Phasenverschiebung von β voreilt und der ermit­ telte Positionswert POS2 des Lesekopfes LK2 um die Phasenver­ schiebung von -β nacheilt. Entsprechendes gilt ebenfalls für die mit Hilfe der Leseköpfe LK3, LK4 ermittelten interpolierten Po­ sitionswerte POS3, POS4.

Erfindungsgemäß werden in einer Auswerteelektronik AE die analo­ gen periodischen Lesesignale LS1 bis LS8 mittels Analog-Digital- Wandler AD1 bis AD8 digitalisiert. Bei Bewegung der Teilscheibe TS werden Minimum und Maximum der digitalisierten Signale DS1 und DS2 von der Korrekturfunktion KOR1 jeweils innerhalb einer Periode der Teilscheibe mit Hilfe des Mikroprozessors MP ermit­ telt. Aus mindestens einem so erhaltenen Wertepaar für das digi­ talisierte Signal DS1 wird aus dem arithmetischen Mittel des Ma­ ximums und des Minimums der Offset errechnet und korrigiert. Die Differenz des Maximums und des Minimums wird zur Bestimmung der Amplitude des digitalisierten Signals DS2 genutzt. Das digitali­ sierte Signal DS1 wird in ähnlicher Weise offsetkorrigiert und die Amplitude wird berechnet. Zur Positionsbestimmung POS1 mit Hilfe des bekannten arctan-Verfahrens oder einer Tabelle werden die digitalisierten Signale DS1 und DS2 anhand der errechneten Parameter auf gleiche Amplitude normiert. Mit festen, im nicht­ flüchtigen Speicher MR abgelegten Parameterwerten, die mittels eines Speicherinterfaces MI an den Mikroprozessor MP übertragen werden, wird die Korrektur auf die 90° Phasenverschiebung zwi­ schen den analogen Lesesignalen LS1 und LS2 in zweckmäßiger Wei­ se so durchgeführt, daß der durch den 90° Phasenfehler verur­ sachte systematische sinusförmige Meßfehler korrigiert wird.

In gleicher Weise werden nach Amplituden-, Offset- und Phasen­ korrektur KOR2 bis KOR4 aus jeweils zwei digitalisierten Signa­ len DS3 und DS4, DS5 und DS6, DS7 und DS8 die interpolierten Po­ sitionswerte POS2, POS3, POS4 der Leseköpfe LK2, LK3, LK4 bezüg­ lich der Winkelteilung WT der Teilscheibe TS ermittelt.

Zur Korrektur der Exzentrizität zwischen dem Mittelpunkt der Teilscheibe TS und der Drehachse D der Welle W wird das arithme­ tische Mittel zwischen den Positionswerten POS1, POS2 von je­ weils gegenüberliegenden Leseköpfen LK1 und LK2 als korrigierter Positionswert KPOS gebildet. Aufgrund der arithmetischen Mitte­ lung der Positionswerte POS1, P052 kann auf einen genauen Pha­ senabgleich verzichtet werden. Dadurch wird erheblicher Aufwand bei der Justierung der Leseköpfe LK1, LK2 gespart. Zur weiteren Korrektur von Teilungsfehlern der Teilscheibe TS ist die Verwen­ dung weiterer diametral gegenüberliegender Leseköpfe LK3, LK4 vorteilhaft. Der korrigierte Positionswert wird dann als arith­ metischer Mittelwert aus den interpolierten Positionswerten POS1 bis POS4 gebildet.

Die Ausführung der Analog-Digital-, Digital-Analog-Wandler sowie des Mikroprozessors sollten zum Erzeugen von quasi in Echtzeit verfügbaren analogen Ausgangssignalen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Gerade für den Bereich der Mobilkommunika­ tion wurde eine ganze Palette von preiswerten aber trotzdem sehr leistungsfähigen und verlustarmen Bauteilen entwickelt, die Verwendung finden können.

Der so erhaltene von Amplituden-, Offset-, Phasen-, Teilungs- und Exzentrizitätsfehlern befreite korrigierte Positionswert KPOS wird in einem zum bekannten arctan-Verfahren inversen Algo­ rithmus genutzt, um zwei um 90° phasenverschobene korrigierte Digitalsignale KS1 und KS2 zu erzeugen, die mittels Digital- Analog-Wandler DA1, DA2 in korrigierte analoge Ausgangssignale KA1, KA2 umgeformt werden. Die Periodenlänge der Ausgangssignale KA1, KA2 entspricht denen der Eingangssignale.

Eine vorteilhafte Ausführung würde auch darin bestehen, daß die Periodenlänge der Ausgangssignale auf ein ganzzahliges Vielfa­ ches der Eingangsperiode reduziert wird, das bedeutet, daß ein Drehgeber mit 9000 Strichen bei einer Doppel- oder Vierfachabta­ stung ein Ausgangssignal mit 18 000, 27 000 oder beispielsweise 38 000 Perioden pro Umdrehung liefert. Dieses Verfahren der Peri­ odenvervielfachung ist dann besonders sinnvoll einzusetzen, wenn die in der Bearbeitungsmaschine integrierte Interpolationsein­ heit nicht sehr hochauflösend ist. Weiterhin besteht die Mög­ lichkeit, einen in der Zeichnung nicht dargestellten Nachlauf­ zähler mit dem Mikroprozessor MP zu verbinden, um digitale TTL- Rechteck-Zählsignale zu erzeugen.

Im nichtflüchtigen Speicher MR werden in regelmäßigen Abständen die aktualisierten Amplitude- und Offsetkorrekturwerte der Kor­ rekturalgorithmen KOR1, KOR2, KOR3, KOR4 abgelegt, so daß die Auswerteelektronik AE auch nach Spannungsausfällen über gültige Korrekturwerte verfügt.

Die Erfindung ist sowohl bei Winkelmeßeinrichtungen als auch bei Längenmeßeinrichtungen mit Erfolg einsetzbar, die auf dem lich­ telektrischen, magnetischen, induktiven oder kapazitiven Meß­ prinzip beruhen.

Abkürzungen

AD Analog-Digital-Wandler
AE Auswerteelektronik
AS Abtaststelle
D Drehachse der Welle (W)
DA Digital-Analog-Wandler
DS digitalisiertes Signal
e Exzentrizität zwischen dem Mittelpunkten von (M) der Teil­ scheibe (TS) und dem Drehpunkt (D) der Welle (W)
KA korrigierte analoge Ausgangssignale
KOR Korrekturalgorithmus
KPOS korrigierter Positionswert
KS korrigierte Digitalsignale
LK Lesekopf
LS analoges Lesesignal
M Mittelpunkt der Teilscheibe (TS)
MI Speicherinterface zum Mikroprozessor MP
MP Mikroprozessor
MR nichtflüchtiger Speicher
POS interpolierte Positionswert des Lesekopfes (LK)
TS Teilscheibe
W Welle
WT Winkelteilung
X Meßrichtung der Teilscheibe TS

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen der Relativlage zweier Objekte, bei dem die Teilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungs­ trägers von wenigstens zwei mit dem anderen Objekt verbundenen Leseköpfen zur Erzeugung jeweils wenigstens eines Lesesignals abgetastet wird und bei der die Lesesignale der Leseköpfe zur Bildung von Meßwerten digitalisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels der Leseköpfe (LK1, LK2) erzeugten und digi­ talisierten Signale (DS1, DS2, DS3, DS4) wenigstens amplitu­ den-, offset- oder 90° phasenfehlerkorrigiert werden und zur Ermittlung von wenigstens zwei Positionswerten (POS1, POS2) verwendet werden, die nach arithmetischer Mittelung als korri­ gierter Positionswert (KPOS) in Form der korrigierten analogen Ausgangssignale (KA1, KA2) erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge der Winkelteilung (WT) der Teilscheibe (TS) ganzzahlig durch die Periodenlänge eines analoges Aus­ gangssignals (KA1, KA2) teilbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoges Ausgangssignal (KA1, KA2) mit einer Peri­ odenlänge von einem ganzzahligen Vielfachen der Periodenlänge einer Winkelteilung (WT) einer Teilscheibe (TS) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Winkelteilung (WT) einer Teilscheibe (TS) auf der Außenmantelfläche einer Teilscheibe (TS) angebracht wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung (AE) durch Mikroprozessoren, Signalprozes­ soren, eine programmierbare Logik oder ASIC erfolgt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein korrigierter Positionswert (KPOS) in einem Nachlauf­ zähler verwendet wird, um digitale TTL-Rechteck-Zählsignale zur erzeugen.