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In der europäischen Patentanmeldung 81105191.1 (Veröffentlichungsnummer:
0046 180) ist eine Positioniereinrichtung mit einem Lageregelkreis beschrieben,
bei der die Lageistwerte eines relativ beweglichen Maschinenteils von einer inkrementalen
Meßeinrichtung gemessen werden. Aus den gemessenen Lageistwerten
und
einem vorhandenen Zeittakt werden von einem Rechner der Positioniereinrichtung die
Geschwindigkeitsistwerte des beweglichen Maschinenteils ermittelt. Diese Positioniereinrichtung
ist wesentlich einfacher und erheblich betriebssicherer aufgebaut, da ein geschlossener
Geschwindigkeitsregelkreis mit einem Tachogenerator nicht mehr erforderlich ist.
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Bei derartigen Positioniereinrichtungen werden für Längen- oder Winkelmessungen
von relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen wegen zahlreicher Vorteile in
ständig steigendem Umfang hochpräzise Inkrementalmeßteilungen eingesetzt. Die lnkrementalmeßtechnik
wirft aber Probleme auf, die bislang noch nicht oder nicht gut gelöst sind. Vor
allem reichte bisher selbst bei den besten Meßteilungen die erzielbare Lageauflösung
des relativ beweglichen Maschinenteils nicht dazu aus, die Geschwindigkeitsistwerte
des Maschinenteils aus zeitlich aufeinander folgenden Lagemessungen immer mit genügender
Sicherheit zu bestimmen, so daß die Einhaltung vorgegebener Regeltoleranzen nicht
immer gewährleistet war.
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Bei einer lichtelektrischen inkrementalen Längenmeßeinrichtung zur
Messung der Relativlage beispielsweise eines Schlittens bezüglich eines Betts einer
Bearbeitungsmaschine, wird die Teilung eines Maßstabs, der mit dem Schlitten verbunden
ist, von einer mit dem Bett verbundenen Abtasteinheit abgetastet. Die Abtasteinheit
weist zu diesem Zweck eine Beleuchtungseinheit, eine Abtastplatte mit beispielsweise
zwei Abtastfeldern, deren Teilungen um ein Viertel der Teilungsperiode der Teilung
des Maßstabs zueinander versetzt sind und mit der Teilung des Maßstabs exakt übereinstimmen,
sowie zwei Photoelemente auf, die jeweils einem Abtastfeld zugeordnet sind. Die
gleichartigen Teilungen der Abtastfelder und des Maßstabs bestehen beim Durchlichtmeßverfahren
aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Streifen mit einer Längserstreckung
quer zur Meßrichtung, die in Meßrichtung (Längserstreckung des Maßstabs) alternierend
aufeinander folgen. Der Lichtstrom der Beleuchtungseinheit, der die Teilungen des
Maßstabs und der Abtastfelder der Abtastplatte durchsetzt und anschließend auf die
beiden Photoelemente fällt, wird bei der Relativbewegung des Schlittens bezüglich
des Betts an den Teilungen des Maßstabs und der Abtastplatte moduliert, so daß die
beiden jeweils einem Abtastfeld zugeordneten Photoelemente zwei periodische, um
ein Viertel der Teilungsperiode der Teilung des Maßstabs zueinander phasenversetzte
elektrische Analogsignale liefern. Das sinusförmige Analogsignal und das cosinusförmige
Analogsignal mit gleicher Periodizität werden einer Auswerteeinrichtung zur Bildung
von Positionsmeßwerten zugeführt. Der Phasenversatz zwischen den beiden periodischen
Analogsignalen erlaubt die Aussage über die Bewegungsrichtung.
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Die Periode der gewonnenen Analogsignale wird durch die Teilungsperiode
(Gitterkonstante) der Teilung des Maßstabs bestimmt. Die Teilungsperiode der Teilung
wird durch die identischen Breiten eines lichtdurchlässigen Streifens und eines
lichtundurchlässigen Streifens in Meßrichtung gebildet. Bei der Relativbewegung
zwischen der Abtasteinheit und dem Maßstab wird jede abgetastete Teilungsperiode
der Teilung des Maßstabs durch einen Zählimpuls erfaßt und kann als Positionsmeßwert
einer Steuerungseinrichtung oder einer Anzeigeeinheit zugeführt werden.
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Weiterhin sind Meßeinrichtungen bekannt, die dreieckförmige oder
trapezförmige Abtastsignale liefern.
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Eine zunächst noch grobe Lageinformation erhält man aus dem vorzeichenrichtigen
Abzählen der Nulldurchgänge des Sinussignals und des Cosinussignals. Eine verfeinerte
Lageinformation über die aktuelle Position des relativ beweglichen Maschinenteils
ist jedoch dann möglich, wenn die momentanen Amplituden des Sinussignals und des
Cosinussignals in bekannter Weise zu einer sogenannten Interpolation herangezogen
werden. Ein Wertepaar der momentanen Amplituden des Sinussignals und des Cosinussignals
legt innerhalb einer Teilungsperiode der beiden Analogsignale den Lageistwert (Ortswert)
des Maschinenteils eindeutig fest. Dabei sind der Auflösung des Ortswertes vom Prinzip
her keine Grenzen gesetzt, wohl aber der Genauigkeit des Ortswertes.
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Eine derartige lnterpolationseinrichtung ist beispielsweise in der
DE-OS 27 29 697 beschrieben. In der DE-OS 30 24 716 werden vor der Durchführung
einer derartigen Interpolation bei fehlerhaften Signalparametern der Analogsignale
durch integrierte Detektoren aus den Analogsignalen Korrekturwerte ermittelt, mit
denen die Digitalwerte der Analogsignale beaufschlagt werden.
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Die Ermittlung des Ortswertes aus den momentanen Amplituden des Sinussignals
und des Cosinussignals erfordert gewisse Rechenoperationen, die zweckmäßig von einem
Digitalrechner vorgenommen werden. Dieser Digitalrechner kann außer den Ortswerten
auch die Geschwindigkeitswerte des beweglichen Maschinenteils aus aufeinanderfolgenden
Ortswerten und einem Zeittakt berechnen. Damit kommen nun natürlich Fragen der Stellenzahl
der berechneten Ortswerte und Geschwindigkeitswerte ins Spiel, die für die Güte
der Positionierung des Maschinenteils von großer Bedeutung sein können.
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Die zwischen der Abtastung der Teilung des Maßstabs und der Ausgabe
der vom Rechner ermittelten Ortswerte liegende Zeitspanne bedeutet innerhalb des
Lageregelkreises eine Totzeit, die im Interesse einer optimalen Regelung möglichst
klein gehalten werden muß. Das bedeutet, daß alle Rechenoperationen zeitsparend
auszuführen sind und daß langwierige Rechenoperationen möglichst vermieden werden
müssen Aus der Druckschrift »Digitale Lagemeßtechnik« 1974, Seiten 78-79 ist es
bereits bekannt, zur Erzeugung oberwellenarmer Sinusschwingungen aus einem Festwertspeicher
seriell diskrete Amplitudenwerte in digitaler Darstellung aus einer Sinus- und Kosinustabelle
abzufragen und mittels eines Digital-/Analog-Umsetzers in analoge Spannungen umzuwandeln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung
der Lage und Geschwindigkeit von relativ zueinander beweglichen Objekten anzugeben,
mit dem eine schnellere und genauere Positionierung dieser Objekte ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die vorgeschlagenen Maßnahmen die Lageistwerte eines Maschinenteils mit
größerer Schnelligkeit und höherer Auflösung ohne wesentlichen Rechenaufwand durch
einen Rechner zur Verfügung stehen, aus denen unmittelbar die Geschwindigkeitsistwerte
des Maschinenteils berechnet werden können. Durch Vergleich dieser Geschwindigkeitsistwerte
mit
vorgegebenen Geschwindigkeitssollwerten wird eine schnellere
und genauere Positionierung für ein Masche nenteil erzielt Da die Geschwindigkeitsistwerte
direkt aus den Lageistwerten ermittelt werden, können fehlerbehaftete Geschwindigkeitsistwerte
nicht mehr auftreten, die zu Positionierfehlern, zu einer Gefährdung der Bedienungsperson
sowie zu einer Beschädigung eines zu bearbeitenden Werkstücks führen können.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer numerisch gesteuerten
Drehmaschine, F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Positioniereinrichtung, F i g.
3 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung, F i g. 4 ein Diagramm zweier periodischer
Analogsignale und F i g. 5 den Aufbau einer Interpolationstabelle.
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In F i g. 1 ist in vereinfachter schematischer Darstellung eine numerisch
gesteuerte Drehmaschine 1 gezeigt, die einen Spindelkasten 2 zum Antrieb eines drehbaren
Futters 3 mit einem eingespannten, zu bearbeitenden Werkstück 4 aufweist Ein Bearbeitungswerkzeug
5 ist mittels eines Werkzughalters 6 über einen Querschnitten 7 für die Y-Richtung
mit einem Längsschlitten 8 für die X-Richtung verbunden. Zur Positionierung des
Werkzeugs 5 in der X-Richtung (die hier allein betrachtet werden soll) ist der Längsschlitten
8 in dieser Richtung mittels einer Spindel 9 verschiebbar, die von einem Motor Mangetrieben
wird.
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Die Lageistwerte (Ortswerte) der Schneidkante des Werkzeugs 5 bei
der Verschiebung des Längsschlittens 8 werden von einer an der Spindel 9 befestigten,
inkremetalen Positionsmeßeinrichtung C ermittelt und über eine Leitung 10 einer
numerischen Steuereinrichtung 11 zugeleitet, die zur Steuerung der Drehmaschine
1 nach einem vorgegebenen Bearbeitungsprogramm über Analogausgänge 12 mit einer
Maschinenpaßsteuerung 13 verbunden ist, deren erster Analogausgang 14 den Spindelkasten
2 zur Regelung der Drehzahl des Futters 3 und deren zweiter Analogausgang 15 den
Motor Mzur Verschiebung des Längsschlittens 8 beaufschlagen.
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Gemäß F i g. 2 ist zur Positionierung des Werkzeugs 5 in der X-Richtung
ein geschlossener Lageregelkreis vorgesehen, bei dem ein Rechner R der numerischen
Steuereinrichtung 11 über eine Leitung 16 mit einem Digital-/Analog-Umsetzer UR
verbunden ist, dessen Analogausgang 12 an einen Motorregler MR in Form eines Istwert-/Sollwert-Vergleichers
für die Vorschubgeschwindigkeit des Schlittens 8 angeschlossen ist; der Analogausgang
15 der Motorreglers MR beaufschlagt den Motor Mzur Verschiebung des Schlittens 8.
Mit dem Motor Mist über die Spindel 9 die inkrementale Positionsmeßeinrichtung Cgekoppelt,
deren Analogsignale S1, S2 über die Leitung 10 einer Auswerteeinrichtung Wund als
Lageistwerte des Schlittens 8 bzw. des Werkzeugs 5 über eine Leitung 18, dem Rechner
R zugeleitet werden; die durch das Bearbeitungsprogramm fest vorgegebenen Lagesollwerte
für den Schlitten 8 bzw. das Werkzeug 5 werden dem Rechner R über eine Leitung 19
zugeführt.
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Gemäß F i g. 3 werden die bei der Verschiebung des Schlittens 8 von
der inkrementalen Meßeinrichtung C erzeugten nullsymmetrischen periodischen Analogsignale
St, S2 (sin x, cos x) mit einem gegenseitigen Phasenversatz von 90" über die Leitungen
10 jeweils Verstärkern Vt, V2 sowie Triggern T1, T2 zur Umformung in Rechtecksignale
S't, S'2 zugeführt. Diese Rechtecksignale S't, S'2 werden über einen Richtungsdiskriminator
RD zur Erkennung der Bewegungsrichtung einem Vorwärts-/Rückwärtszähler Z zum vorzeichenrichtigen
Zählen der vom Richtungsdiskriminator RD erzeugten Impulse zugeleitet, so daß jede
Signalperiode der periodischen Analogsignale St, S2 vom Zähler Zerfaßt und als Lageistwert
(Ortswert) des Werkzeugs 5 bzw. des Schlittens 8 über die Leitung 18 dem Rechner
R zugeführt wird. Zur Erreichung eines fest vorgegebenen Lagesollwertes für das
Werkstück 5 bzw. den Schlitten 8 gibt der Rechner R pro Zeiteinheit variable Lagesollwerte
vor, bildet fortlaufend die Differenz zwischen den variabel vorgegebenen Lagesollwerten
und den momentanen Lageistwerten und gibt jeweils dieser Differenz entsprechende
digitale Spannungswerte über die Leitung 16 an den Digital-/Analog-Umsetzer UR ab,
an dessen Ausgang 12 somit eine dieser Differenz proportionale Analogspannung zur
Beeinflussung des Motorregler MR ansteht.
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Zur Interpolation zwischen den Lageistwerten, d. h. zur Unterteilung
der Signalperiode der nullsymmetrischen periodischen Analogsignale St, S2 der inkrementalen
Meßeinrichtung Cin eine Vielzahl von Digitalschritten werden die verstärkten Analogsignale
St, S2 mittels Analog-/Digital-Umsetzer U1, U2 digitalisiert und die Digitalwerte
dem Rechner R zur Ermittlung von interpolierten Lageistwerten (Ortswerten) für das
Werkzeug 5 bzw. den Schlitten 8 über die Leitungen 20 zugeleitet Um aus den dem
Rechner R zugeführten Digitalwerten des Sinussignals St, und des Kosinussignals
S2 interpolierte Ortswerte zu erhalten, wird erfindungsgemäß in einem Speicher des
Rechners R eine theoretisch erstellte Interpolationstabelle in Form einer normierten
Sinustabelle und einer normierten Kosinustabelle abgespeichert Zur Zuordnung der
interpolierten Ortswerte in der Interpolationstabelle zu den zugehörigen Digitalwerten
der Analogsignale St, S2 müssen diese Digitalwerte ebenfalls normiert sein. Zu diesem
Zweck werden im Rechner R die extremalen Digitalwerte (maximaler und minimaler Digitalwert)
über eine Signalperiode ermittelt, bezüglich ihrer Nullage korrigiert und bezüglich
ihrer Amplitude normiert. Diese Korrekturen können anstatt im Rechner R auch durch
eine entsprechende Regelung der Referenzspannungen der Analog-/Digital-Umsetzer
Ul, U2 erfolgen.
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Da diese normierten Digitalwerte gewisse Meßfehler aufweisen können,
werden aus Gründen der Genauigkeit zur Auswertung vom Sinussignal St und vom Kosinussignal
S2, die in F i g. 4 als Funktion des Meßortes x dargestellt sind, nur die Bereiche
mit betragsmäßig größerer Steigung (dick ausgezogene Bereiche) herangezogen, dagegen
die Bereiche in der Nähe der Extrema vermieden. Es ist unmittelbar einzusehen, daß
bei zwei vorliegenden Digitalwerten mit dem gleichen Meßfehler der Digitalwert in
einem Bereich mit großer Steigung einen kleineren Ortsfehler als der Digitalwert
im Bereich der Extrema verursachen wird.
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Da ein vorliegender Digitalwert im Bereich einer Signalperiode des
Sinussignals S1 oder des Kosinussignals S2 mehrdeutig ist, werden zur Festlegung
des zu verwendenden Bereichs der Interpolationstabelle an einem gegebenen Meßort
x der aus dem Sinussignal St gewonnene Digitalwert und der aus dem Kosinussignal
S2
gewonnene Digitalwert hinsichtlich ihrer Vorzeichen und ihrer
Beträge miteinander verglichen. Die Zuordnung der interpolierten Lageistwerte (Ortswerte)
zu den normierten Digitalwerten in der Interpolationstabelle ist in F i g. 5 dargestellt;
die jeweiligen Ziffern an den Sinuskurven und Kosinuskurven bezeichnen die Oktanten
des Sinussignals 5 und des Kosinussignals S2 in Fig. 4.
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Da die normierte Sinustabelle und die normierte Kosinustabelle in
der Interpolationstabelle die Kurvenform der Analogsignale S,, S2 nur in gewisser
Näherung wiedergeben, ergeben sich zwangsläufig Fehler bei der Interpolation der
Ortswerte, die außerdem für die Sinustabelle und die Kosinustabelle verschieden
sein können.
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Erfolgt nun zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ortswerten ein Übergang
von der Sinustabelle zur Kosinustabelle oder umgekehrt, so kann dadurch ein deutlicher
Sprung beliebigen Vorzeichens in der Anzeige der interpolierten Ortswerte entstehen,
obwohl die wahren Ortswerte nahe beieinander liegen. Um diesen Sprung beim Tabellenwechsel
abzumildern, wird eine vom Ortswert abhängige gleitende Gewichtung der aus dem Sinussignal
Sl und der aus dem Kosinussignal S2 ermittelten Ortswerte vorgenommen. In der nachfolgenden
Tabelle ist diese Gewichtung für den ersten Quadranten des Sinussignals Sl der F
i g. 4 dargestellt. Im Bereich 0 bis 0,1 wird der aus dem Sinussignal St ermittelte
Ortswert mit dem Gewichtungsfaktor 8 und der aus dem Kosinussignal S2 ermittelte
Ortswert mit dem Gewichtungsfaktor 0 multipliziert; die derart gewichteten Ortswerte
werden anschließend addiert und das Ergebnis durch die Summe der Gewichtungsfaktoren,
d. h. durch 8 dividiert. Im Bereich 0,9 bis 1 sind die Verhältnisse genau umgekehrt.
In den Bereichen 0,4 bis 0,5 und 0,5 bis 0,6 erhalten die Ortswerte jeweils die
Gewichtungsfaktoren 4. Somit kann ein weicher Übergang von der Sinustabelle zur
Kosinustabelle erfolgen. Diese Gewichtungsfaktoren für die Ortswerte variieren gegenläufig
periodisch über eine Periode des Sinussignals St, wobei die Bereiche des Sinussignals
St und des Kosinussignals S2 mit betragsmäßig größerer Steigung höhere Gewichtungsfaktoren
aufweisen; die Summe der Gewichtungsfaktoren für den aus dem Sinussignal Sl ermittelten
Ortswert und den aus dem Kosinussignal S2 ermittelten Ortswert ist an jedem Meßort
x konstant. Es können für die Gewichtungsfaktoren auch höhere Zahlwerte benutzt
werden, wenn die zugehörigen Bereiche weiter unterteilt werden sollen.
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Betrag des Sinussignals St 0-0, 1-0,2-0,3-0, 4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,
9-1 Gewichtungsfaktor für Ortswert 8 7 6 5 4 4 3 2 1 0 (Sinussignal St) Gewichtungsfaktor
für Ortswert 0 1 2 3 4 4 5 6 7 8 (Kosinussignal S2) Aus jeweils zwei aus der Interpolationstabelle
mittels der zugehörigen Digitalwerte gewonnenen Lageistwerten und einem in der Steuereinrichtung
11 vorhandenen Zeittakt werden nun vom Rechner R die Geschwindigkeitsistwerte des
relativ beweglichen Maschinenteils 8 berechnet. Wird beispielsweise ein konstanter
Zeittakt von 1 Millisekunde festgelegt, so erfolgt in dieser Zeiteinheit jeweils
eine Ermittlung des Lageistwertes. Aus der Differenz zwischen dem neuen Lageistwert
und dem alten Lageistwert und aus der konstanten Zeiteinheit kann ohne besonderen
Rechenaufwand unmittelbar der Geschwindigkeitsistwert des Maschinenteils 8 berechnet
werden.
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Der Rechner R kann somit die ermittelten Geschwindigkeitsistwerte
mit den über eine Leitung 21 von der Steuerung 11 eingegebenen Geschwindigkeitssollwerten
zur schnellen und genauen Positionierung des Werkzeugs 5 bzw. des Schlittens 8 miteinander
vergleichen.
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Die Interpolationstabelle kann auch mit einer nicht dargestellten
inkrementalen Referenzmeßeinrichtung erstellt werden.
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