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Korrektureinrichtung zur Kompensation fertigungsbe-
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dingter Toleranzen Die Erfindung bezieht sich auf eine Korrektureinrichtung
zur Kompensation von Winkelabweichungen, die durch die Fertigung durch Abnutzung,
durch Fehleinstellung oder dergleichen bedingt sind, für eine Stellanordnung mit
einem Sensor zur Ermittlung der Ortskoordinaten von relativ zur Anordnung bewegten
Objekten und zur Nachführung der Stellanordnung mit dem Sensor unter Durchfuhrung
von Maßnahmen zur Erkennung von Winkelfehlern der Höhen- und Seitenwinkeleinstellung.
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Die genaue Bestimmung der Ortskoordinaten von im Raum -befindlichen
Objekten, wie z.B. Himmelskörper, künstliche Erdsatelliten oder Flugobjekte, durch
Sensoren oder dergleichen, die mittels'einer mechanischen Anordnung mit Einrichtungen
zur Höhen- und Seitenwinkeleinstellung auf jeden beliebigen Raumpunkt ausrichtbar
sind, erfordert eine hohe Präzision der mechanischen Anordnung.
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Unvermeidbare Fertigungstoleranzen machen es erforderlich, daß vor
der Verwendung derartiger Geräte eine mechanische Justierung vorgenommen wird. Bei
der Herstellung von Waffen, die zur Bekämpfung von Zielen auf einen Höhen- und Seitenwinkel
genau einstellbar sind, ist es bereits bekannt, eine mechanische Justierung der
beweglichen Teile für die Winkeleinstellung unter Anwendung einer sogenannten Lotablauf-
und Gleichlaufkontrolle vorzunehmen. Obwohl derartige Justierungen sehr zeit- und
kostenintensiv sind, können-nicht alle Fertigungstoleranzen kompensiert werden.
Sie erfordern 6 Ausfertigungen j>.Ausfertigung
zudem nach Reparaturen
oder nach dem Ersatz von Teilen eine Wiederholung der Justierarbeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Korrektureinrichtung
der eingangs genannten Art die Justierung mit mechanischen Mitteln durch einfachere
Maßnahmen zu ersetzen und gleichzeitig eine bessere Kompensation von Winkelfehlern
zu ermöglichen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch. gelöst, daß die
Kompensation der Winkelfehler nach deren Erfassung in einem räumlichen Koordinatensystem
durch eine Korrektur der zur Ortung und Nachführung eines Objektes ermittelten in
elektrische Daten umgesetzten Winkelwerte der Stellanordnung für Höhe und Seite
erfolgt derart, daß den eine Schieflage der Stellanordnung verursachenden Fehlerwinkel
in einer Längs- und Querachse bezogen auS eine Bezugsebene Parameter zur Ermittlung
eines Fehlerwinkels einer horizontal zu der Bezugsebene des Koordinatensystems angeordneten
Achse und die Fehlerwinkel der Längs- und Querachse unmittelbar entnommen werden,
die ausgehend von den gemessenen Ortskoordinaten des Objektes mittels der Rechenvorschrift
der folgenden Gleichungen (1) und (2) die in Abhängigkeit von den Fehlerwinkeln
der Längs und Querachse und der schiefwinklig zur Bezugsebene gelagerten Welle korrigierte
elektrische Daten für die jeweils gemessenen Höhen- und Seitenwinkel eines mit der
Stellanordnung (Sensor) erfaßten Objektes liefern Korr =
| arccos [sin (S-1+ @-3 cos II3i.COS C°S(9ZKorr~ rt2) |
| sin st,Ol"rCOS'; $lcb- cosZKorr) V ß1+%<3 cos GZKorr) cos
ZKorrj (1) |
#Korr =
| arecos r sin(fl2 - zu ).sin |
| arccos aZKorr 2 ZKorr (2) |
Darin bedeuten ZKorr =
| arccos lein(%+ t3 sin ') cos ' sin ' |
| + cos (ZO+ 93-sin ') cos zu (3) |
çZKorr
| arccos [ o (cos (90+ -3 sin ') cos ' sin |
| - sin ('20+sin ') cos cos'?} (4) |
wobei #' der Höhenmeßwinkel und ' der Seitenmeßwinkel geliefert von der Stellanordnung
in Verbindung mit dem Sensor.
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Mit diesen Gleichungen ist die Berechnung von Korrekturwerten für
die mit einer dejustierten Stellanordnung gemessenen.Höhen- und Seitenwinkel eines
Objektes und damit die elektrische Eliminierung der gegenüber einer Bezugsebene
vorliegenden Fehlerwinkel der Längs- und Querachse der Stellanordnung möglich. In
diese
Korrektur eingeschlossen sind die Fehlerwinkel-Komponenten
für die Längs- und Querachse aus der evtl. vorhandenen Schieflage einer zur Bezugsebene
horizontalen Welle der Stellanordnung.
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Die Korrektur der von der unjustierten Stellanordnung gelieferten
Winkelwerte eines Raumpunktes kann in vielen Fällen von einem bereits vorhandenen
Rechner, z.B.
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ein Zielfolgerechner, mit übernommen werden. Ein besonderer Vorteil
der Erfindung besteht darin, daß die Korrektur von der Größe der mechanisch bedingten
Winkelfehler der Stellanordnung unabhängig ist und daher in der Fertigung der Stellanordnungen
größere Toleranzen zugelassen werden können Mechanisch nicht justierbere Winkelfehler
und solche, die durch verfälschte Einstellung durch die elektrischen Winkelgeber
hervorgerufen werden, können jetzt auch bei der Berechnung der Korrekturwerte berücksichtigt
und elektrisch eliminiert werden.
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Eine Verkürzung der Rechenzeit und eine Vereinfachung des Rechenvorganges
kann dadurch erreicht werden, daß gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
wewenigstens einer der in der Längs- und/oder Querachse auftretenden Fehlerwinkel
durch eine definierte Drehung des Koordinatensystems eliminiert wird. Nach der Eliminierung
eines Fehlerwinkels durch Koordinatendrehung um einen Winkel 90 werden die korrigierten
Höhen- und Seitenwinkel nach folgender vereinfachter Rechenvorschrift bestimmt Korn
=
| arc ccs bO-cos(? O) sina cos cos .cos (5) |
wKorr =
| arccos > cos wO cos <5O cos ( 0) sin |
| - sin 90 sin (IP' 0) sin sin$' - sin 430 cos gO sin-¢'0 (6) |
Für die Erstellung der Rechenregel für die Winkelkorrekturwerte ist es erforderlich,
alle möglichen Fehlerarten zu erkennen und zu beschreiben. Um die Rechenvorschrift
für die Korrekturwerte im dreidimensionalen Raum definieren zu können, müssen vorher
geeignete Ausgangsmessungen durchgeführt werden, um die Fehlerwinkel bestimmen zu
können. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die an sich bekannten
Lotablauf-und Gleichlaufprüfungen zur Gewinnung geeigneter Meßwerte herangezogen
werden. Eine andere Möglichkeit der Bestimmung der Fehlerwinkel besteht in der Anwendung
eines Kreisels.
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Bei der Bahnvermessung eines bewegten Objektes werden z.B. von einem
Radargerät insgesamt drei Werte, und zwar die Entfernung r, der Höhenwinkel a und
der Seitenwinkel g ermittelt. Bei einem dejustierten Richtgerät treten vor allem
Fehler in der Winkelgröße für Seite und Höhe auf, während der Fehler in der Entfernung
in manchen Fällen vernachlässigbar ist.
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Die fehlerbehafteten Größen, die durch Toleranzen in der Herstellung
und durch verfälschte Einstellung der Winkelgeber bedingt sein können, werden zweckmäßig
in zwei Fehlerarten, und zwar lineare und nicht lineare Fehler unterteilt. Als linear
sollen die Fehler bezeichnet werden, die einen Fehlerwinkel von konstanter
Größe
in einem bestimmten Bereich verursachen und die bei einer Lotablauf- bzw. Gleichlaufkontrolle
charakteristische Kurvenläufe erzeugen und die bereits bei der Auswertung dieser
Kontrollwerte eine Fehlerartenzuordnung ermöglichen.- Lineare Fehler werden z.B.
durch eine Schieflage der Bezugebene einer Stellanordnung verursacht.
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Als nicht lineare Fehler sollen Fehlerwinkel nicht konstanter Größe
in einem festgelegten Meßbereich definiert sein, wie z.B. durch in sich verformte
Bauteile oder einzelne Komponenten hervorgerufen werden. Mit der Anordnung gemäß
der Erfindung lassen sich grundsätzlich beide Fehlerarten korrigieren.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
der Figuren 1 bis 9 näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Stellanordnung mit einem
Sensor (Seiten- und Frontansicht), Fig. 2 das Prinzip einer Lotablaufprürung, Fig.
3 das Prinzip einer Gleichlaufprüfung, Fig. 4 und 5 Winkelbestimmungen in der Längs-
und Querachse, Fig. 6 eine Darstellung des Prinzips der Koordinatendrehung, Fig.
7 Darstellung der Fehlerwinkel an einer Unterlafette, Fig. 8 Darstellung der Fehlerwinkel
an einer Oberlafette, Fig. 9 Schaltungsprinzip der Korrektureinrichtung gemäß der
Erfindung.
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Die in Fig. 1 übereinander in Seiten- und Frontansicht wiedergegebene
Stellanordnung mit einem Sensarbesteht aus einer Lafette, deren ringförmiger Ober-
und Unterteil gegeneinander drehbar sind. Die Oberlafette OL trägt auf Stützen St
eine zur Lafette horizontal gelagerte Welle HW, auf der ein als Reflektor ausgebildeter
Sensor S@schwenkbar angeordnet ist. Aus verschiedenen Gründen kann die Oberlafette
OL mit dem Sensor S gegenüber einer Bezugsebene eine Schieflage einnehmen, die durch
zwei in zueinander senkrechten Achsen, z.B.
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Längs- und Querachse, der Bezugsebene gemessenen Fehlerwinkeln O,
g-1 definiert ist. Der Winkel #0 ist als Fehlerwinkel zwischen der Oberlafette OL
und der in die Bezugsebene fallenden Unterlafette UL in einer Längsachse und der
Fehlerwinkel 91 als einer Querachse zugehörig festgelegt. Ein weiterer durch schiefe
Lagerung der Welle HW bedingter Fehlerwinkel ist mit bezeichnet.
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Die Fehlerwinkel 0, #1, #3, 3 die von der Lafette und von der Welle
mit der Bezugsebene gebildet werden, sind durch eine an sich bekannte Lotablauf-
und Gleichlaufprüfung bestimmbar. Bei der Lotablaufmessung werden in Abhängigkeit
vom Fehlerwinkel -1 in der Querachse und von der Wellenschieflage wertbare für die
Seitenabweichung % und den Höhenwinkel aL aus aus einer bei der Lotablaufprüfung
ermittelten Kurve erhalten (Fig. 2).
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Die Gleichlaufmessung (Fig. 3) liefert durch Schwenken der Stellanordnung
im Seitenwinkel # bei einer Schwenkung # = 0 den Fehlerwinkel t0 in der Längsachse
und bei-rp = #/2 den Fehlerwinkel t81 in--der Querachse.
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Unter Berücksichtigung der Schieflage der Welle HW um den Winkel #3
ergibt sich für die resultierenden Fehlerwinkel in der Längs- und Querachse = +
i'0 + #3 sin t und 0 o sin tp #'1 = #1 + cos #' Die mit einer dejustierten Stellanordnung
gemessenen Werte für den Höhenmeßwinkel #' und den.Seitenmeßwinkel #' werden durch
die korrigierten Höhenmeßwinkel Korr und Seitenmeßwinkel WKorr ersetzt, in denen
die Fehlerwinkel für die Längs- und Querachse #0 und und für die horizontale Welle,
eliminiert sind.
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Die Gleichungen für die Korrekturwerte werden stufenweise entwickelt
und zwar zunächst für den resultierenden Fehlerwinkel #'0 für die Längsachse. Anhand
Fig. 4 wird der erste Rechenschritt verdeutlicht. In der Bezugsebene BE sind die
Längs- und Querachse LA und QA und in einer dazu senkrechten Ebene die schief gelagerte
Welle HW der Stellanordnung dargestellt. In der Längsachse LA ist der Fehlerwinkel
O vorgegeben, dem sich ein Anteil #3 . sin #' der Schieflage der Welle HW zu der
Summe #'0 = t90 + #3 . sin #'über lagert. Mit diesem Wert #'0 ergibt sich für den
korrigierten Höhen- und Seitenwinkel ein Zwischenwert #ZKorr = «ZKorr
| arccos Lsin(gO+ sin sin ') cos I sin |
| + cos (t + 22 sln cp') cosS |
<?ZKorr
| arecos o (cos (g-0+g-3 sin rp') tp? p" sin |
| - sin /, g-3 sin ') cos cos |
Aus diesen Zwischenwerten für die Korrektur der Höhen-und Seitenwinkel werden unter
Einbeziehung des resultierenden Fehlerwinkels #'1 1 in der Querachse QA in einem
zweiten Rechenschritt die Gleichungen für die endgültigen korrigierten Winkelwerte
gebildet.
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Die Zusammensetzung des resultierenden Fehlerwinkels #'1 1 wird anhand
der Fig. 5 erläutert. In das Achsenkreuz LA/QA ist über der Querachse zunächst der
Fehlerwinkel #1 entsprechend der Darstellung in Fig. 1 aufgetragen. Die auf Stützen
mit dem Fehlerwinkel# 3 3 schief'gelagerte Welle AW liefert einen Anteil cos cos
#' für den resultierenden Fehlerwinkel #'1, der dem Fehlerwinkel #1 additiv überlagert
ist. Mit diesen Werten und den Gleichungen (3) und (4) für die Zwischenwerte ergeben
sich die Gleichungen (1) und (2) für die korrigierten Werte der mit der dejustierten
Stellanordnung und einem Sensor erhaltenen Winkelmeßwerte für Höhe und Seite.
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Wird vor der Berechnung der Korrekturwerte wenigstens ein Fehlerwinkel
#0 oder ß der Längs- bzw. der Querachse eliminiert, ergibt sich ein vereinfachter
Rechenvorgang. So läßt sich der resultierende Winkel 1 in der Querachse durch eine
Drehung #0 des Koordinatensystems (Längsachse/Querachse) eliminieren. Der
Vorgang
wird anhand der Fig. 6 beschrieben. In der Figur sind in einer Bezugsebene BE die
Längs- und Querachse LA, QA, die die Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems
darstellen, eingezeichnet. Eine durch die Fehlerwinkel in der Längs- und Querachse
der Lafette der Stellanordnung vorgegebene schiefe Fläche SF wird in Bezugsebene
projeziert und mit PSF bezeichnet. In der zur Bezugsebene schiefwinkligen Kreisfläche
SF kann eine Durchmesserlinie D ermittelt werden, die parallel zur Bezugsebene verläuft,
d.h. gegenüber dieser keine Schieflage aufweist. ihre Projektion PD schneidet das
Koordinatensystem LA/QA im Nullpunkt.
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Eine zur Durchmesserlinie senkrechte weitere Durchmesserlinie DS bildet
mit der Bezugsebene BE den Winkel itos der sich aus den resultierenden Fehlerwinkeln
#'0 und #'1 maximal einstellen kann. Der Winkel p0, der die angestrebte Koordinatendrehung
im Seitenwinkel unter Berücksichtigung der Fehlerwinkel der Lafette der Stellanordnung
sowie der Wellenschieflage eines Sensors darstellt, wird gebildet von der Längsachse
LA und der Projektion PDS der Durchmesserlinie DS.
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Für die rechnerische Ermittlung der Werte 90 und ergeben sich folgende
Zusammenhänge
| gi |
| wo = arctan |
| 0 0 |
| d;cos tpl |
| t0 arctan + sin 9 |
#0 = #0 . sin #0 + #'1 cos #0
#0 = #0 + #3 . sin #0 +(#1 + #3 .
cos #'). cos #0 Unter Berücksichtigung dieser Werte errechnen sich die korrigierten
Winkelwerte für Höhe und Seite nach einer vorhergehenden Koordinatendrehung um den
Winkel nach folgenden Gleichungen ¢ Korr
| arccos [sin WO cos ( O) sin (-0).sin +cos .cos'} |
wKorr
| arscos {sinlcos eO cos ( 0) sin ¢' |
| - sin 90 sin (cp' (Pg) sin <ß0 cos wo cos |
Der Vorteil der Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Eliminierung der z.B.
bei der Fertigung entstehenden Fehlerwinkel durch Umsetzung in elektrische Korrekturwerte,
die in einem Rechner in Abhängigkeit von der Größe der Fehlerwinkel ermittelt werden
und anstelle einer Justierung die gemessenen Ortsbestimmungswerte korrigieren, soll
an dem praktischen Beispiel einer Stellanordnung für ein Folgeradar gezeigt werden.
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Der als Sensor dienende Antennenreflektor eines Folgeradars sei auf
einer ringförmigen Oberlafette gegenüber einer Unterlafette im Seitenwinkel (Azimut)
schwenk-
bzw. drehbar befestigt. Um den Sensor auch im Höhenwinkel (Elevation) schwenken
zu können, ist eine zur Lafette horizontal gelagerte Welle vorgesehen. Bei der Fertigung
der Stellanordnung lassen sich Fehlerwinkel, die auf Toleranzen der Unter- und Oberlafette
sowie auf die Wellenlagerung zurückgehen, mit vertretbarem Aufwand nicht vermeiden.
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Während durch eine Justierung in bekannter Weise die Fehlerwinkel
durch Nacharbeiten und Verwendung von Zwischenlagen mit erheblichem Aufwand beseitigt
werden müssen, ist bei Anwendung der Erfindung eine Größenbestimmung der Fehlerwinkel
erforderlich. Dies kann mit Maßnahmen der Ablauf- und Gleichlaufprüfung getrennt
für Unter- und Oberlafette erfolgen, wobei der Oberlafette noch der Fehlerwinkel
aus der Schieflage der horizontalen Welle zugeordnet ist. Für die Unterlafette werden
die Fehlerwinkel in der Längs- und Querachse LA, QA in einem Datenblatt festgehalten.
Ein eigenes Datenblatt für die Oberlafette enthält außer den Fehlerwinkeln für die
Längs- und Querachse den Fehlerwinkel für die Schieflage der horizontalen Welle
HW.
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Beide Fehlerwinkelbestimmungen setzen jeweils die Verwendung einer
UR-Oberlafette bzw. einer UR-Unterlafette voraus, d.h. daß diese keinen Anteil an
der Größe des jeweils zu messenden Fehlerwinkels haben.
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Der Zusammenbau.der Stellanordnung'mit Sensor oder der Ersatz von
Einzelteilen kann ohne Rücksicht auf die Größe der vorliegenden Toleranzen und ohne
Justiermaßnahmen erfolgen. Vor der Inbetriebnahme des Folgeradars ist es lediglich
erforderlich, daß die im zugehörigen Datenblatt genannten Fehlerwinkel tof t1 und
'3 in einen Rechner eingegeben werden, der die
gemessenen mit Fehlern
behafteten Winkelwerte eines Objektes unter Berücksichtigung der Fehlerwinkel aus
dem Datenblatt und unter Anwendung der Korrekturgleichungen korrigierte Zieldaten
liefert.
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In den Figuren 7 und 8ist jeweils für die Unter- und Oberlafette die
Lage der für die Korrektur erforderlichen Fehlerwinkel in der Längs- und Querachse
dargestellt. Die Fig. 8 enthält außerdem den aus der Schieflage der horizontalen
Welle resultierenden Fehlerwinkel.
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Im Prinzipschaltbild für die Durchführung der Korrektur der mit einem
Folgeradar gemessenen Winkelwerte ist als zentraler Einheit ein bereits vorhandener
oder ein zusät-zlicher Rechner erforderlich, an dessen Eingang die vom Folgeradar
gelieferten Höhenmeßwinkel l*' und die Seitenmeßwinkel ' eines georteten Objekts
zugeführt werden und in den einmalig die Fehlerwinkel # OFR = # On + # O0 # 1FR
= #1n + # 10 # 3FR = #30 jeweils als Summe der Teilwerte eingegeben werden. Der
Ausgang des Rechners liefert die korrigierten Zieldaten für die Höhe tiKorr und
für die Seite gKorr.
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Ein stark vereinfachtes Schaltungsprinzip der Korrektureinrichtung
(Fig. 9),wie sie mit den Maßnahmen gemäß der Erfindung~realisierbar ist, geht von
der Verwendung-eines Ortungsgerätes RG aus, z.B. Folgeradar, aus, das die unkorrigierten
Zieldaten für den Höhen-
winkel # und den Seitenwinkel #' liefert.
Einem Rechner CU werden die Zieldaten <t' und 1 sowie die durch eine Lotablauf-
und Gleichlaufmessung ermittelten Fehlerwinkel #0 ,#1 und #3 einer Stellanordnunng
(Unterlafette, Oberlafette) zugeführt. Mit Hilfe der Gleichungssysteme (1) und (-2)
bzw. (5) und (6) ermittelt der Rechner korrigierte' Zieldaten #Korr und Korr eKorr
zu die jede mechanische Justierung der Stellanordnung überflüssig machen.
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8 Patentansprüche 9 Figuren
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