DE2114810A1

DE2114810A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Mes sung und Anzeige von Fehlerwerten

Info

Publication number: DE2114810A1
Application number: DE19712114810
Authority: DE
Inventors: Garman Jonathan D Sunnyvale Cahf Gordon. Gary B Cupertino (V St A ) P
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1970-04-03
Filing date: 1971-03-26
Publication date: 1971-10-14
Also published as: JPS5228007B1; US3654446A; DE2114810B2

Description

Hewlett-Packard Company

1501 Page Mill Road

Palo Alto, Kalifornien 94304

U.S.A.

24. März 1971

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG UND ANZEIGE VON FEHLERWERTEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung und Anzeige von Fehlerwerten von Präzisionsmaschinenwerkzeugen, elektronischen Instrumenten und dergleichen. Dabei kann es sich um Positionierungsfehler in Werkzeugen und um Linearitätsfehler bei elektronischen Vorrichtungen, beispielsweise digitalen Voltmetern und spannungsgesteuerten Oszillatoren handeln.

Die Messung und Darstellung von Positionierungsfehlern sind insbesondere wichtig für Hersteller und Benutzer von Präzisionsmaschinenwerkzeugen, Mikrometern, computergesteuerten Bohr- und Fräsmaschinen und dergleichen. Eine graphische Darstellung der Fehler ist äußerst wünschenswert, erfordert indessen aber zuviel Zeit und ist zu kostspielig. Eine derartige Darstellung gestattet es,mit einem Blick das Verhalten der Genauigkeit einer Maschine zu überblicken. Das Verfahren hierzu, welches nacheinanderfolgend mehrere Male angewendet wird, besteht darin, daß zunächst das Werkzeug auf einen gewünschten Abstand längs der Vorschubsachse bewegt

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wird. Dies kann beispielsweise durch die Ablesung der Wählscheibe der Maschine erfolgen. Daraufhin wird der tatsächliche Abstand der Einstellung' gemessen. Desjweiteren wird der Unterschied oder Fehlerabstand zwischen dem gewünschten Abstand und dem tatsächlichen Abstand berechnet. Schließlich kann der Fehlerabstand auf einem geeigneten Diagramm, beispielsweise einem X-Y-Diagramm dargestellt werden, wobei der Sollwert des Abstandes auf der Abszisse W und der Fehlerabstand auf der Ordinate erscheinen.

Die manuelle Durchführung dieses Programms ist ermüdend und zeitraubend. Es sind Techniken entwickelt worden, um diese sich wiederholenden Schritte automatisch auszuführen. Beispielsweise wird im Falle einer bandgesteuerten Fräsmaschine die Information über den Sollwert des Abstandes aus dem Programmstreifen erhalten, der tatsächliche Abstand durch eine Vorrichtung zur Prazisionsabstandsmessung, beispielsweise ein Interferometer, gemessen, und diese beiden Messungen werden beispielsweise in digitaler Form einem Rechner zur Ausführung der Subtraktion zugeführt. Diese Technik erfordert eine Zwischenverbindung zwischen dem Rechner und der Steuervorrichtung für die Fräsmaschine, und diese Zwischenverbindung ist im allgemeinen ungünstig und teuer, da derartige Steuerungen nicht dazu ausgelegt sind, ohne Zwischenschaltung zusätzlicher Anpassungsglieder solche Informationen zu übertragen. Auch variiert die

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Kodierung der Daten von einer Maschine zur anderen. Des weiteren ist der erforderliche Rechner umfangreich und teuer. Auch existieren in anderen Maschinen, beispielsweise kleinen Ladenfräsmaschinen die Daten nicht in elektrischer Form, sondern sind auf mechanischen Wählscheiben enthalten.

Ein ähnliches Problem ergibt sich auch bei elektronischen Präzisionsgeräten sowie bei der Eichung von digitalen Voltmetern und der Erzeugung von Linearitätskurven für spannungsgesteuerte Oszillatoren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung und Darstellung von Fehlerwerten zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Istwert bei jedem Eichpunkt gemessen, ein den gemessenen Wert darstellender Digitalwert erzeugt, der durch mehrere höhere Stellen (Zehner, Einer, Zehntel, Hundertstel) des Digitalwertes dargestellte Wert in einen den Sollwert darstellenden Analogwert umgesetzt und der durch mehrere untere Ziffern (Tausendstel, Zehntausendstel, Hunderttausendstel) des Digitalwertes dargestellte Wert in einen Analogwert umgewandelt wird, der die Differenz zwischen dem durch die unteren Ziffern dargestellten Meßwert und einem die unteren Ziffern des Sollwertes darstellenden, vorbestimmten Wert

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Diese Technik wird einfacher verstanden, wenn man zunächst annimmt, daß der Fehler kleiner als die Hälfte des Eichintervalles ist. Die zu eichende Maschine wird dann durch diese gewählten Eichabstände bewegt. An jedem Punkt liest das Laser-Interferometer die tatsächliche Position ab. Dann wird die Vorrichtung unter der Vermutung weiterbetrieben, daß der Sollwert des Abstandes der nächste erlaubte Eichabstand zum tatsächlichen Abstand ist. Dabei wird ein neues Verfahren verwendet, um den gewünschten Abstand abzuleiten und die Subtraktion auszuführen. Das Ergebnis ist die automatische Darstellung der Fehler in graphischer Form, wobei sich eine Kostenersparnis und eine beträchtliche Erleichterung beim Benutzen ergibt. Eine einfache Zwischenverbindung mit der Maschine dient lediglich dazu, die Maschi nenbewegung mit der Interferometerablesung abzustimmen; von der Steuerschaltung der Maschine ist keine Information über den Präzisionssollabstand erforderlich.

ψ Die Vorrichtung erlaubt eine Messung des tatsächlichen Abstandes der Bewegung der Maschine an jedem von einer Reihe von Eichintervallen, beispielsweise bei jedem Zehntel oder Hundertstel von einem Zoll.

Zwei D/A-ümsetzer werden verwendet, von denen der eine bei den digitalen Ablesungen des Interferometers im Bereich von 10 Zoll, 1 Zoll, 1/10 Zoll, 1/100 Zoll und einem Teil von

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1/1000 Zoll arbeitet, um die vermutete Abstandsablösung zu ergeben.

Wenn die Maschine sich in einem der Eichintervalle befindet, so "vermutet" das System, daß der vermutete Abstand der Maschine derjenige ist, der in diesem Beispiel das nächste Hundertstel Zoll zur Ablesung auf dem Interferometer ist und erzeugt einen analogen Ausgangswert, der diese Position auf der Abszisse des X-Y-Diagrammes anzeigt. Beispielsweise ergibt der erste D/A-ümsetzer bei einer Interferometerablesung von 03,99975 Zoll oder 04,00025 Zoll ein analoges Ausgangssignal, das einen vermuteten Abstand von 4,00 Zoll zur Darstellung entlang der Abszisse wiedergibt.

Der zweite D/A-ümsetzer arbeitet im Bereich der Tausendstel Zoll, Zehntausendstel Zoll und Hunderttausendstel Zoll der Digitalwerte vom Interferometer, um einen analogen Ausgangswert abzugeben, der den Fehlerabstand bei jedem derartigen Intervall zur Darstellung entlang der Ordinate angibt. Der Fehlerabstand wird durch angenäherte Subtraktion erhalten, welche es erforderlich macht, daß das Eichabstandsintervall vorzugsweise größer als das zweifache des erwarteten Maximalfehlers gewählt wird. Da der erwartete Fehler bei Präzisionsmaschinen meistens in der Größenordnung von einigen Tausendstel Zoll oder Millimeter liegt,

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fällt der Fehlerabstand klar in die Hälfte des Eichintervalles von ein Hundertstel Zoll bzw. 0,254 mm.

Da diese Vorrichtung herkömmliche D/A-Umsetzer und eine einfache Hilfsvorrichtung verwendet, ist sie wesentlich weniger kostspielig als die komplexen Anpassungsglieder und arithmetischen Rechner, die bisher verwendet wurden. Auch wird eine beträchtliche Zeitersparnis bei der Einstellung und Vornahme der gewünschten Messungen erreicht, da keine komplizierte Zwischenverbindung mit der Maschinenwerkzeugsteuerung erforderlich ist.

Zusätzlich zur Messung von Positionierungsfehlern von Maschinenwerkzeugen können dieses Verfahren und diese Vorrichtung zusammen mit anderen Meßgeräten verwendet werden und zwar einschließlich der Eichung digitaler Voltmeter und der Erzeugung von Linearitätskurven für spannungsgesteuerte Oszillatoren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar Fig. 1 ein X-Y-Diagramm des Positxonierungsfehlers eines Maschinenwerkzeuges, wobei der Fehler mit einer

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Auflösung von 25,4 χ 10 mm in der Ordinate dargestellt ist, und wobei die Position der Maschine in Intervallen von 2,54 mm entlang der Abszisse dargestellt ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm des neuen Rechnersystems, das

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digitale Kodierung verwendet und sowohl die Ordinaten als auch die Abszissenwerte für die X-Y-Positions-Fehlerdiagrainme ergibt; Fig. 3 ein Blockdiagranun des neuen Rechnersysteins mit einem binär kodierten System, um ein Linearitätsdiagramm für einen spannungsgesteuerten Oszillator zu erstellen.

In Fig. 1 ist ein typisches Diagramm dargestellt, das von einem X-Y-Schreiber aufgeschrieben ist, und die Positionsfehler über dem Vorschub eines Maschinenwerkzeuges darstellt. Die Stellung der Maschine ist in Schritten von 2,54 mm entlang der Abszisse aufgezeichnet, und der Positionierungsfehler der Maschine ist in Schritten von 25,4 χ 10 mm längs der Ordinate aufgetragen. Das Diagramm zeigt einen zyklischen Fehler, der einem linearen Fehler überlagert ist, wie'er beispielsweise bei einer Spindel auftritt, die etwas zu lang ist und bei der Drehung flattert.

Diese Kurve kann manuell hergestellt werden, indem man eine ausreichende Anzahl von Datenpunkten auf dem Diagramm erhält, wobei jeder Punkt bestimmt ist durch die Bewegung des Maschinenantriebs auf eine gewünschte Stellung entlang des Vorschubsweges,indem der tatsächliche Vorschub durch ein Präzisionsinterferometer gemessen wird, die beiden Abstände subtrahiert werden und der Positionsfehler

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ermittelt wird und dieser Fehlerwert auf der Ordinate über dem Sollwertabstand aufgetragen wird.

Wenn die Maschine durch einen Rechner gesteuert wird, könnte die Information über die Sollwertposition von der Steuerungs- oder Regelvorrichtung erhalten werden, wenn geeignete Zwischenglieder vorgesehen werden, um den X-Antrieb des X-Y-Schreibers automatisch zu steuern. Ein arithmetischer mit dem Interferometer gekoppelter Rechner und das Steuerglied können verwendet werden, um den Fehler zur Darstellung auf der Y-Achse zu berechnen.

In Fig. 2 ist ein Blockdiagram eines Systemes dargestellt, das automatisch den Fehlerabstand und den Sollwertabstand vom Interferometer alleine bestimmt und diese Information an den X-Y-Schreiber zur Aufzeichnung weitergibt. Dieses System arbeitet ohne aufwendiges Anpassglied ("Interfacing") mit der Werkzeugsteuerungsvorrxchtung und ohne umfangreiche Ziffernrechner.

Diese Vorrichtung umfaßt ein Präzisionsgerät zur Entfernungsmessung, beispielsweise ein Laser-Interferometer Il gemäß dem USA-Patent 3 458 259. Der Ausgang des Interferometers enthält eine konstante Referenzfreguenz f und eine Doppler- oder Vergleichsfrequenz f , die von einer Mittelfrequenz f um eine Frequenz schwankt, die proportional der Änderungsgeschwindigkeit im Abstand des Werk-

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zeugantriebes gemessen vom Interferometer aus ist. Die beiden Frequenzausgänge f und f werden an einen reversiblen Zähler 12 geleitet, wobei der Ausgang des Zählers als Maß der Längenänderung dient. Beispielsweise stellt eine Einheit im Zähler eine Längenänderung von einer Viertellichtwellenlänge oder etwa 152,4 χ 10 mm (6μ Zoll) dar. Der Inhalt des Zählers wird an eine arithmetische Einheit 13 geleitet, wo er in Längen in mm oder Zoll umgerechnet v/erden kann, undder digitale Ausgang wird auf eine digitale Anzeigevorrichtung 14 gegöben. Die angezeigte Messung ist 03,99975 Zoll; -jodo- -Z -4«—aerr ~sT- 4- -τθmm darr

Die Zehner-Einheiten, Zehntel und Hundertstel der Digitalwerte werden von einem Register 15 in der digitalen Anzeigevorrichtung an einen ersten D/A--Umsetzer 16 weitergeleitet, dessen analoger Ausgang als Eingang für den X-Antrieb des X-Y-Schreibers 17 dient. Die Tausendstel, Zehntausendstel und Hunderttausendstel der digitalen Werte werden an einen zweiten D/A-Umsetzer 18 über einen Pufferspeicherkreis 19 übertragen. Vor der Übertragung an den Pufferspeicherkreis wird die Ziffer für die Tausendstel an eine Addierstufe 2/£ fürjaine Ziffer geleitet, wo die betreffende Ziffer zu einem eingestellten Wert von 0,005 Zoll oder 0,127 mm (in dem Kästchen 22) addiert wird. Dieser Wert von 0,005 wird später analog in noch zu beschreibender Weise (in dem

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Kästchen 23) subtrahiert. Bei einem weniger bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Addition von 0,005 Zoll durch die Addierstufe 2Ϋ durch die mechanische Versetzung des Interferometers und der Maschine um 0,005 Zoll ersetzt werden. Indessen macht eine derartige Versetzung die Anzeigevorrichtung 14 weniger lesbar.

Der D/A--Umsetzer 16 "wird benutzt, um den vermuteten Abfe stand der Bewegung der zu eichenden Maschine zu bestimmen, ohne tatsächlich die vermutete Abstandsinformation von der Maschine zu erfordern. Der vermutete Wert ist ein gcinzzahliges Vielfaches des Eichintervalles, welches selbst vorzugsweise größer als das zweifache des Fehlerwertes ist. Dies wird erreicht durch Übertragung der Zehner, Einheiten, Zehntel und Hundertstel des digitalen Wertes vom Register 15 zum D/A-Umsetzer 16, wo dieser digitale Wert in einen analogen Ausgangswert umgesetzt wird, der proportional einem vermuteten Entfernungswert ist, der auf das nächste Hundertstel abgerundet ist. Beispielsweise beträgt die Ablesung 03,99975 in der digitalen Anzeige, und die Zahl für das nächste Hundertstel ist 4,00; ein analoges Ausgangssignal proportional ^u diesem Wert 4,00 wird verwendet, um den X-Antrieb des X-Y-Schreibers 17 auf die vermutete Entfernungsposition längs der χ-Achse anzutreiben, und zwar im gewählten Beispiel auf die 4,00 Position. Der nächst tiefere vermutete Abstand wäre

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3,9 9 und der nächst höhere vermutete Abstand wäre 4,01.

Diese Schaltung für den vermuteten Abstand enthält einen Entscheidungsweg 24 zwischen der Ziffer für die Tausendstel im Register 15 und dem D/A-Umsetzer 16, um die Ziffer von 4 oder weniger für die Tausendstel in einen Null-Hundertstel-Wert umzusetzen und um Ziffern von 5 oder mehr für die Tausendstel in einen Wert von einem Hundertstel umzusetzen, so daß die Ablesung für die Hundertstel aufgerundet werden kann auf den nächsten Wert für die Hundertstel. Dies stellt sicher, daß Fehler mit negativem Vorzeichen in der Position nicht um ein Inkrement zu tief dargestellt werden.

Der Wert des Positionierungsfehlers wird durch angenäherte Subtraktion erhalten. Deshalb wird bevorzugt, daß das Eichintervall größer gewählt wird als das zweifache des erwarteten maximalen Fehlers. Falls der Fehler größer wird als die Hälfte dieses Eichintervalles, ergibt sich eine Diskontinuität in der Darstellung, aber die Ergebnisse können noch so lange interpretiert werden, wie benachbarte Fehlerpunkte noch eine einigermaßen erkennbare Korrelation beinhalten. Eine bessere Lösung besteht darin, das Eichintervall zu erweitern.

Im vorliegenden Beispiel wird der Fehler folgendermaßen abgeleitet:

E = 3,99975 - 4.00000

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Da in unserem Beispiel die Maschinenachse bei 0,253 mm-

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Inkrementen geeicht ist, ergibt sich, daß dieses Eichintervall wesentlich größer ist als der gemessene Fehler und daß der Subtrahend null Stellen in den interessierenden Spalten im Minuenden aufweist. Probleme durch Vorzeichen™ wechsel des Fehlers werden vermieden, indem ein festgelegter Zusatzwert digital (durch das Kästchen 22) zu der ^ die Eintausendstelwerte angebendeiZiffer addiert wird, die an den Pufferspeicher 19 übertragen wird. Im gegebenen Beispiel wird die Ziffer 0,009 für die Tausendstel zu 0,005 iiri Ziffernaddierer 2/ addiert, um 0,014 zu erhalten; Die Ziffer für die Hundertstel (0,01) wird an den D/A-Umsetzer 16 übertragen, und die Ziffer für die Tausendstel (0,004) wird an den Pufferspeicher 19 übertragen. Der Pufferspeicher enthält daher einen Digitalwert von 0,00475. Dieser digitale Wert wird an den D/A-Umsetzer 18 übertragen, wo er in ein entdprechendes analoges Signal umgesetzt wird. Von diesem ™ analogen Signal wird dann der Zusatz von 0,005 (des Kästchens 23) analog abgezogen, um den Positionsfehlerabstand von - 0,00025 zu ergeben. Das Entfernen des Zusatzes von 0,005 zentriert einen Null-Fehler bei 0 V analog. Falls der Spannungszusatz hingenommen werden kann, kann die durch das Kästchen 23 symbolisierte Einheit ausgelassen werden. Der analoge Ausgang des D/A-Urnsetzers 28 ist proportional zu diesem - 0,00025 Fehlerabstand und dient dazu, den Y-Antrieb des X-Y-Schreibers 17 auf diesen Punkt entlang

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der Y-Achse zu treiben.

Die Mathematik zur Ableitung dieses Fehlersignales ergibt sich folgendermaßen:

E = 3,99975 - 4,00000 = 3,99975 + 0,005 - 0,005 - 4,00000

= 4,00475 - 4,00000 - 0,005

= (4,00475 modulo 0,01) - (0,005)

= 0,00475 - 0,005

= - 0,00025

Es versteht sich, daß der Minuend (4,00000) unter der Annahme abgeleitet wird, daß er das nächste ganzzahlige Hundertstel zu dem Subtrahenden angibt, der von dem Laser-Interferometer erhalten wurde. Dies wird erreicht, ohne daß man eine Verdrahtung oder komplexe Anpassungsglieder zur Werkzeugsteuerungsschaltung benötigte.

Während die Division der Zahl in dem gegebenen Beispiel zwischen der Ziffer für die Hundertstel und für die Tausendstel liegt, kann die Trennung gewünschtenfalls an anderen Stellen gewählt werden in Abhängigkeit von dem speziellen Anwendungsfall und den angestrebten Ergebnissen. Obgleich in dem dargestellten Beispiel von einer Auflösung von 25,4 χ 10 mm ausgegangen wird, ist die Auflösung auf 25,4 χ 10 mm oder mehr mit Laser-Interferometern möglich, und dieses System gibt Fehlerabstände im gleichen Maß wieder, wie das Laser-Interferometer die Ablesungen auflösen kann.

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Außerdem sind Maßstabsänderungen möglich, indem die Empfindlichkeit des X-Y-Schreibers geändert wird. So können der Y-Abstand zur Darstellung eines gegebenen Fehlers und der X-Abstand zur Darstellung eines gegebenen Eichpunktes frei gewählt werden, um die Daten optimal auf einer Darstellungsfläche unterzubringen.

Die Verbindung mit der zu eichenden Maschine besteht aus einer einfachen Schaltung, beispielsweise einer Leitung zur übertragung von Triggerimpulsen, um dem Pufferspeicher 19 anzuzeigen, daß ein Eichpunkt erreicht worden ist. Beispielsweise wird ein von der zu eichenden Maschine jedesmal bei Erreichen eines Eichpunktes aufgenommener Impuls den Pufferspeicher 19 triggern, um den zu diesem Zeitpunkt aufgezeichneten Digitalwert an den D/A-ümsetzer 18 zu übertragen, um das analoge Y-Ausgangssignal für den X-Y-Schreiber 17 abzugeben. Daher ist nur ein einfaches Signal über das Erreichen des Eichpunktes von der zu eichenden Maschine möglich; dagegen ist keine Information über die gewünschte Stellung erforderlich.

Es sei angemerkt, daß nicht eine Anzeige von der zu eichenden Maschine abgegeben wird, daß jedes Eichintervall erreicht worden ist, sondern daß Steuerungssignale von dem Laser-Interferometersystem zu der zu eichenden Maschine geschickt werden können, um ihr zu befehlen, daß sie sich

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von einem Elchintervall zum nächsten bewegt. Beispielsweise wird sie nach der Bestimmung eines ersten Fehlersignales und der Aufzeichnung durch das Interferometersystem der zu eichenden Maschine befehlen, sich zum nächsten Eichintervall zu bewegen, wo die Maschine anhält, und das Fehlersignal wird ausgerechnet und aufgezeichnet. Daraufhin wird das nächste Befehlssignal an die Maschine durch das Laser-Interferometersystem abgegeben.

Ein drittes Verfahren der Steuerung besteht darin, daß man die Betriebsperson die übertragungsimpulse 25 auslösen läßt. Wenn beispielsweise eine Linienskala geeicht wird, kann die Betriebsperson ein Fadenkreuzmikroskop oberhalb jeder der in die Skala eingravierten Markierungen zentrieren und dann einen Knopf drücken, um der Vorrichtung anzuzeigen, daß der Fehler an jedem Punkt aufgezeichnet werden soll. In diesem Fa-lle wäre das Interferometer derart angeordnet, daß es die Position des Mikroskopes mißt.

Es sei angemerkt, daß diese mit Erwartungswerten arbeitende Methode der Abstandsmessung auch verwendet werden kann, um eine digitale Anzeige statt einer analogen Anzeige des Fehlers zu erreichen. Bei einigen Anwendungen könnte es nützlich sein, die Fehlerdaten in digitaler Form aufzuzeichnen, beispielsweise bei einem Drucker, einem Papieroder Magnetbandaufzeichnungsgerät 26.

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Auch sei angemerkt, daß statt der Aufzeichnung eines analogen Ausgangssignales die Erfindung dazu verwertet werden kann, daß ein Fehlersignal erstellt, an die Maschinenregelung 27 zurückgeführt und zur Ausregelung des Fehlers verwendet wird. Bei diesem Schema ist es erforderlich, daß die abgefragten Positionen um mehr als das zweifache des erwarteten Maximalfehlers getrennt werden.

In Fig. 3 ist eine ähnliche Technik zur Darstellung der Linearitätsfunktion für einen spannungsgesteuerten Oszillator dargestellt. In diesem System wird die Präzisionsspannungsquelle 31 für den spannungsgesteuerten Oszillator 32 von der Programmiereinrichtung 33 gesteuert, damit sie schrittweise von einem Spannungswert zum nächsten fortschreitet, um Frequenzausgänge vom Oszillator 32 bei voneinander beabstandeten Eichintervallen abzugeben".

Ein Binärzähler 3 4 für die Ausgangsfrequenz gibt einen binären Wert ab, der die tatsächliche vom Oszillator 32 an das Register 35 abgegebene Frequenz darstellt. Die tatsächliche Oszillationsfrequenz des Oszillators 32 ist in der digitalen Aufzeichnung mit 001110100110I₂ Hz angegeben. Zur Vereinfachung sei angemerkt, daß dieser binäre Wert,, der zur Basis 2 dargestellt wurde, o35.15„ zur Basis 8 ist. In diesem Beispiel ist die angenommene oder vorausgesetzte Frequenz, bzw. die Frequenz, die der spannungsge-

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steuerte Oszillator erzeugen sollte, gleich 0011101000000„ Hz oder, auf die Basis 8 bezogen, 0350OgHz.

Die binären Ziffern höherer Ordnung werden an den ersten D/A-Umsetzer 36 übertragen, während die Binärstellen tieferer Ordnung an den zweiten D/A-Umsetzer 37 über den Pufferspeicherkreis 38 übertragen werden. Die Ein-bit-Addierschaltung 39 arbeitet ähnlich der Ein-Ziffer-Addierschaltung von Fig. 2, um einen Summierausgang an den Pufferspeicher 38 und einen übertragungsausgang an den ersten D/A-Umsetzer 36 abzugeben. Der binäre Betrag, der digital durch den Ein-bit-Addierer 38 addiert wird, wird daraufhin analog durch die Einheit 41 in dem D/A-Umsetzer 37 abgezogen.

Die Mathematik zur Ableitung der Fehlerfrequenz, zur Vereinfachung mit Bezug auf die Basis 8 dargestellt, ergibt sich folgendermaßen:

03515g - 0350O₈ = 03515g - 03500g + 00040g - 00040g

= 03555g - 03500g - 00040g = (03555g modulo lOOg) - 00040g = + 00015_Q (oder 00HOl₀)

O Δ

Es sei angemerkt, daß das allgemeine Verfahren bei einigen Anwendungen benutzt werden kann, wo nur das Y- oder Fehlersignal erzeugt wird. Beispielsweise kann eine zu eichende Maschine auf einen neuen Eichpunkt in Intervallen von einer

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Sekunde bewegt werden, und der Fehler kann auf einem Streifenschreiber (beispielsweise dem Schreiber 42 in Fig. 2) aufgezeichnet werden, der das Papier beispielsweise mit einem Schritt pro Sekunde bewegt. Wenn daher die Zeit als die unabhängig Veränderliche gewählt wird, ist der D/A-Umsetzer 16 oder 36 nicht langer erforderlich.

Während die Erfindung mit Bezug auf die Herleitung und Darstellung von Positionierungsfehlern von Maschinenwerkzeugen und Linear!tätskurven für einen spannungsgesteuerten Oszillator beschrieben wurde, versteht sich, daß sie auch auf die Messung und Eichung ähnlicher Parameter vieler anderer Formen von Präzisionsinstrumenten oder Vorrichtungen angewendet werden kann. Auch ergibt sich, daß die Erfindung auf alle Systeme anwendbar ist, die digitale Zifferneichung verwenden, die beispielsweise von Rechnern oder digitalen Voltmetern oder anderen Formen digitaler übertrager erhalten werden.

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Claims

Hewlett-Packard Company
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Palo Alto
California 94304, USA

24. März 1971 Patentansprüche

(1. Verfahren zur Ableitung von Fehlerwerten zwischen einem Sollwert und einem Meßwert bei mehreren Eichpunkten, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert bei jedem Eichpunkt (0,1; 0,2; 0,3 ...) gemessen, ein den gemessenen Wert darstellender Digitalwert (03,99975) erzeugt, der durch mehrere höhere Stellen (Zehner, Einer, Zehntel, Hundertstel) des Digitalwertes dargestellte Wert in einen den Sollwert (4,00) darstellenden Analogwert umgesetzt und der durch mehrere untere Ziffern (Tausendstel, Zehntausendstel, Hunderttausendstel) des Digitalwertes dargestellte Wert in einen Analogwert (-0,00025) umgewandelt wird, der die Differenz zwischen dem durch die unteren Ziffern dargestellten Meßwert und einem die unteren Ziffern des Sollwertes darstellenden, vorbestimmten Wert ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch mehrere höhere Ziffern (03,99) des Digitalwertes (03,99975) dargestellte Wert in einen Analogwert umgewandelt wird, der den Sollwert darstellt, der dem Meßwert am nahesten kommt und wobei der vorbestimmte Wert Null ist.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerwerte Positionierungsfehler in einem Maschinenwerkzeug sind, die Sollwerte angenommene oder vorausgesetzte Bewegungsstrecken des Maschinenwerkzeuges sind und die Meßwerte die tatsächlich gemessenen Meßstrecken des Maschinenwerkzeuges sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ρ der Sollwert (4,00) ein ganzzahliges Vielfaches des Intervalles (0,01) zwischen Eichpunkten ist und das Intervall zwischen den Eichpunkten größer als das zweifache des größten Fehlerwertes ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (-0,0025) zwischen dem durch die unteren Ziffern dargestellten Meßwert und Null gleich dem Meßwert (03,99975) + der Hälfte (0,005) des Intervalles (0,01)

^ zwischen Eichpunkten (= 4,00475), modulo dem Intervall zwischen den Eichpunkten (= 0,00475) vermindert um die Hälfte des Intervalles zwischen den Eichpunkten (= - 0,00025) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Sollwert (4,00) darstellende Analogwert auf einer Achse (X) eines Diagramms und der die Differenz darstellende Analogwert auf einer zweiten Achse (Y) des Diagramms dargestellt wird.

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7. Verfahren zur Ableitung von Fehlerwerten zwischen einem Sollwert und einem Meßwert bei mehreren Eichpunkten, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Wert (03,99975) bei jedem Eichpunkt gemessen, ein den Meßwert darstellendes Digitalsignal erzeugt, und der durch mehrere niedrigere Stellen (0,00075) dargestellte Wert des Digitalwertes in einen Analogwert (-0,00025) umgewandelt wird, der die Differenz zwischen dem durch die unteren Stellen dargestellten Meßwert und Null angibt, wobei Null den unteren Digitalwert des Sollwertes darstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Fehlerwerte Positionierungsfehler in einem Maschinenwerkzeug sind, die Sollwerte angenommene Bewegungsstrecken des Maschinenwerkzeuges sind und die Meßwerte die tatsächlich gemessenen Bewegungsstrecken des Maschinenwerkzeuges sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerwerte Umsetzungsfehler im digitalen Ausgang eines elektronischen Elementes sind, die Sollwerte angenommene, digitale Ausgangswerte des Instrumentes sind und die Meßwerte die tatsächlich gemessenen digitalen Ausgangswerte des Instrumentes sind.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

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der Sollwert ein ganzzahliges Vielfaches (4,0) des Intervalles zwischen den Eichpunkten (O,Öl) und das Intervall zwischen den Eichpunkten größer als das zweifache des größten Fehlerwertes ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen dem durch die niedrigeren Stellen

(-0,00025) dargestellten Meßwert und Null gleich dem P Meßwert (03,99975) plus der Hälfte des Wertes (O,005)

zwischen den Eichintervallen (Q,Öl) modulo dem Wert zwischen den Eichintervallen (= O,00475), vermindert um die Hälfte des Wertes zwischen den Eichintervallen ist,

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Differenz angebende Analogwert auf einer Achse (Y) eines Aufzeichnungsgerätes (17) dargestellt wird*

k 13. Verfahren zur aufeinanderfolgenden Berechnung des Fehlerwertes zwischen dem Sollwert und dem tatsächlichen Wert eines Betriebsparameters einer Vorrichtung bei einer Vielzahl von Eichpunkten, die durch ein Eichintervall von wenigstens dem zweifachen des maximalen Fehlerwertes getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Wert an jedem Eichpunkt erhalten, ein den tatsächlichen Wert darstellender Digitalwert erzeugt, der durch mehrere höhere Ziffern des Digitalwertes dargestellte

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Wert in einen den Wert des Eichpunktes angebenden Analogwert umgesetzt und der durch mehrere niedrigere Ziffern dargestellte Wert des Digitalwertes in einen Analogwert umgewandelt wird, der den Unterschied des durch die niedrigeren Ziffern dargestellten tatsächlichen Wertes und Null angibt, wobei Null die unteren Ziffern des Wertes am Eichpunkt darstellt, und die Differenz (-0,00025) der tatsächliche Wert (3,99975) plus der Hälfte des Eichintervalles (3,99975 + 0,005), modulo dem Eichintervall (= 0,00475), vermindert um die Hälfte des Eichintervalles (0,00475 - 0,005 = - O,0025) ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerwerte Positionierungsfehler in einem Maschinenwerkzeug darstellen, die angenommenen Werte angenommene Bewegungsstrecken des Maschinenwerkzeuges und die tatsächlichen Werte die tatsächlichen gemessenen Bewegungsstrecken des Maschinenwerkzeuges sind.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerwerte Umsetzungsfehler im Digitalausgang eines elektronischen Instrumentes sind, die Sollwerte die angenommenen Digitalausgänge des elektronischen Instrumentes und die tatsächlichen Werte die tatsächlichen Digitalausgänge des Instrumentes sind.

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16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der den Wert am Eichpunkt darstellende Analogwert auf einer Achse (X) eines Diagrammes und der die Differenz

angebende Analogwert auf einer zweiten Achse (Y) des Diagrammes dargestellt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der die Differenz (-0,00025) darstellende Analogwert auf

^ einer Achse (Y) eines Aufzeichnungsgerätes dargestellt wird.

18. Vorrichtung zur Ableitung von Fehlerwerten zwischen einem Sollwert und einem Meßwert bei mehreren Eichpunkten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Messung des tatsächlichen Wertes bei jedem Eichpunkt (0,01; 0,02; 0,03 ...), eine Einrichtung zur Erzeugung eines den gemessenen Wert (3,99975) darstellenden Digitalwertes, eine Einrichtung zur Umsetzung des durch mehrere höhere

w Stellen (3,99) des Digitalwertes dargestellten Wertes in einen analogen Ausgangswert, der den Sollwert (4,0O) nahe dem gemessenen Wert darstellt, und eine Einrichtung zur Umsetzung des durch mehrere niedrigere Stellen (0,00975) dargestellten Wertes des Digitalwertes in einen Analogwert vorgesehen sind, die die Differenz zwischen dem durch die tieferen Stellen dargestellten Meßwert und dem den niedrigeren Digitalwert des Sollwertes darstellenden Wert Null angibt.

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19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerwerte Positionierungsfehler in einem Maschinenwerkzeug und die Sollwerte angenommene Bewegungsstrecken des Maschinenwerkzeuges und die Meßwerte tatsächlich gemessener Bewegungsstrecken des Maschinenwerkzeuges sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerwerte Frequenzausgangsfehler in einem spannungsgesteuerten Oszillator sind, die Sollwerte angenommene Betriebsfrequenzen des Oszillators und die Meßwerte tatsächlich gemessene Betriebsfrequenzen des Oszillators sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (4,00) ein ganzzahliges Vielfaches des Intervalles (0,01) zwischen Eichpunkten und das Intervall zwischen Eichpunkten größer als das zweifache des größten Fehlerwertes ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen dem durch die niedrigeren Ziffern dargestellten Meßwert und Null der gemessene Wert plus der Hälfte des Wertes zwischen den Eichpunkten, modulo dem Wert zwischen den Eichpunkten, vermindert um die Hälfte des Wertes zwischen den Eichpunkten ist.

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23. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Aufzeichnung des den angenommenen Wert darstellenden Analogwertes auf einer Achse und des die Differenz darstellenden Analogwertes auf einer zweiten Achse des Diagrammes vorgesehen sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Aufzeichnung des die Differenz auf

fc einer Achse des Aufzeichnungsgerätes darstellenden Analogwertes vorgesehen sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umsetzer einen Digital/Analogumsetzer aufweist.

26. Vorrichtung zur aufeinanderfolgenden Ableitung des Fehlerwertes zwischen dem Sollwert und dem tatsächlichen Wert eines Betriebsparameters einer Vorrichtung bei mehreren Eichpunkten, die durch ein Eichintervall von wenigstens dem zweifachen des maximalen Fehlerwertes getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Wert bei jedem Eichpunkt erhalten, eine Einrichtung zur Erzeugung eines den tatsächlichen Wert (3,99975) darstellenden Digitalwertes vorgesehen wird, eine erste Recheneinrichtung einen ersten Digital/Analogumsetzer (16 oder 36) aufweist, eine Einrichtung zur Übertragung mehrerer höherer

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Stellen des tatsächlichen Digitalwertes zu der ersten Recheneinrichtung vorgesehen ist, die erste Recheneinrichtung ein dem Wert des Eichpunktes proportionales analoges Ausgangssignal abgibt, und eine zweite Recheneinrichtung einen zweiten Digital/Analogumsetzer (18 oder 37) aufweist, eine Einrichtung zur Übertragung mehrerer niedrigerer Stellen des tatsächlichen Digitalwertes der zweiten Recheneinrichtung vorgesehen ist, die niedrigeren Stellen einen Wert darstellen, der kleiner als die Hälfte des Wertes des Eichintervalles (0,01) ist, die zweite Recheneinrichtung ein analoges Ausgangssignal abgibt, das proportional der Differenz des tatsächlichen durch die niedrigeren Stellen dargestellten Wertes und dem die unteren Stellen des Wertes des Eichpunktes darstellenden Wert Null ist, wobei die Differenz der tatsächliche Wert plus der Hälfte des Eichintervalles, modulo dem Eichintervall, vermindert um die Hälfte des Eichintervalles ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert ein ganzzahliges Vielfaches des Intervalles zwischen den Eichpunkten und das Intervall zwischen den Eichpunkten größer als das zweifache des größten Fehlerwertes ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Aufzeichnungsvorrichtung aufweist, die mit den

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beiden Recheneinrichtungen zur Aufzeichnung der analogen Ausgangswerte verbunden ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Recheneinrichtung eine Einrichtung (24) zur digitalen Addition eines festen Versetzungs-Wertes (0,05) zur ersten Ziffer (0,009) in den unteren Stellen aufweist, und eine Einrichtung (23) zur späteren analogen Subtraktion des Versetzungs-Wertes von dem analogen Signalausgang vorgesehen ist.

30. Vorrichtung'nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur digitalen Addition eines festen Versetzungswertes eine Addierstufe für eine Stelle aufweist, an die die erste Stelle übertragen wird, und eine Einrichtung (22) aufweist, um den digitalen Versetzungswert an die Addiereinheit für eine Stelle abzugeben.

ψ 31. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur übertragung eines Eichpunktsignales zwischen der Vorrichtung und der zu eichenden Einrichtung vorgesehen ist.

32. Vorrichtung zur aufeinanderfolgenden Messung des Positionierungsfehlerwertes eines Maschinenwerkzeuges bei mehreren Eichpunkten, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Eichpunkte durch ein Eichintervall getrennt sind, das wenigstens gleich dem zweifachen Fehlerwert ist, ein Laser-Interferometer zur Messung des tatsächlichen Wertes jedes Eichpunktes, eine Einrichtung zur Erzeugung eines den tatsächlichen Wert darstellenden Digitalwertes, eine erste Recheneinrichtung mit einem ersten Digital/Analogumsetzer, eine Einrichtung zur übertragung mehrerer höherer Stellen des tatsächlichen Digitalwertes zur ersten Recheneinrichtung vorgesehen sind, die erste Recheneinrichtung ein analoges Ausgangssignal abgibt, das dem Wert des vermuteten Eichpunktes proportional ist, und eine zweite Recheneinrichtung einen zweiten Digital/Analogumsetzer aufweist, eine Einrichtung zur Übertragung mehrerer niedrigerer Stellen des tatsächlichen Digitalwertes zu der zweiten Rechenvorrichtung vorgesehen ist, die niedrigeren Stellen einen kleineren Wert als die Hälfte des Wertes des Eichintervalles darstellen, die zweite Recheneinrichtung ein analoges Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz des durch die tieferen Stellen dargestellten tatsächlichen Wertes und dem die niedrigeren Digitalwerte des Wertes am Eichpunkt darstellenden Wert Null abgibt, und die Differenz gleich dem tatsächlichen Wert plus der Hälfte des Eichintervalles, modulo dem Eichintervall, vermindert um die Hälfte des Eichintervalles ist.

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33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert ein ganzzahliges Vielfaches des Intervalles zwischen den Eichpunkten ist und das Intervall zwischen den Eichpunkten größer als das zweifache des größten Fehlerwertes ist.

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