DE3817169C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von beschleunigungsbedingten Winkelmeßfehlern bei Beob­ achtungssystemen mit großen rotierenden Massen, insbe­ sondere bei Bahnverfolgungssystemen, bei dem der Verlauf der Intensität einer von einer Strahlungsquelle ausge­ henden elektromagnetischen Strahlung während der Drehbewegung eines rotierenden Bauteils in einer im Abstand von der Strahlungsquelle angeordneten, lateral auflösenden Registriereinheit für diese Strahlung erfaßt wird, wobei eine der Komponenten des optischen Systems am rotierenden Bauteil und wenigstens eine weitere Komponente ortsfest angeordnet ist. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Meß- und Beobachtungssystemen mit großen drehbe­ weglich gehalterten Massen, bei denen zugleich hohe Anforderungen an die Präzision und Winkeltreue der Meßeinrichtung gestellt werden, wie dies beispielsweise bei Bahnverfolgungssystemen und bei sogenannten Multi­ sensorplattformen der Fall ist, ist die Gefahr einer Beeinträchtigung der Winkelmeßgenauigkeit infolge trägheitsbedingter Winkelabweichungen durch Verwindun­ gen bei beschleunigter Bewegung gegeben. Neben kon­ struktiven Maßnahmen zur Gewährleistung einer möglichst hohen Verwindungssteifigkeit ist es daher erforderlich, Maßnahmen zur Messung und Korrektur derartiger be­ schleunigungsbedingter Winkelabweichungen vorzusehen.

Zwar ist bereits in der Zeitschrift "OPTIK", Band 41, Heft 4, 1974, Seiten 402-409, ein Meßverfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, das der Ermittlung der an einem Spielrad auftretenden Pyrami­ dalfehler dient und bei dem mittels eines Strobosko­ pisch gesteuerten Meßvorganges Abweichungen eines vom Spiegelrad reflektierten Laserlichtstrahles erfaßt werden, die ober- oder unterhalb der Rotationsebene des Spiegelrades und somit senkrecht zu dessen Bewegungs­ richtung liegen. Zudem werden bei diesem bekannten Verfahren die gemessenen Abweichungen auf eine als fehlerfrei angenommene Referenzfläche bezogen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das auf einfache Weise die Erfassung und Korrektur absoluter Meßfehler ermöglicht, die durch eine trägheitsbedingte Verformung in der Bewegungsrichtung eines Beobachtungssystems mit großen rotierenden Massen auftreten, wobei dieses System sich mit veränderlicher Drehzahl bewegt und wobei auch bei einer geringen Anzahl von Meßwiederholungen eine hohe Auflösung und Genauigkeit gewährleistet werden soll. Weiterhin soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Die verfahrensgemäße Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, bei dem zunächst bei einer niedrigen Winkelgeschwindigkeit durch gleichzeitige Messung des Drehwinkels und der Intensität eine Referenzkurve aufgenommen wird, die Messung bei beschleunigter Bewegung wiederholt wird und aus der dabei gemessenen Verschiebung des Meßsignalverlaufs in Richtung der Bewegung des rotierenden Bauteils die Abweichung zwischen dem Winkelsollwert und dem Istwert ermittelt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich vor allem durch die Möglichkeit zu einer einfachen und schnellen Durchführung der erforderlichen Meß- und Korrekturmaß­ nahmen bei einer gleichzeitig hohen Meßgenauigkeit aus. Die Genauigkeit ist dabei im wesentlichen begrenzt durch etwaige Meßungenauigkeiten bei der Winkelsoll­ wertmessung. Indem jedoch der Signalverlauf über einen Winkelbereich gemessen wird, der groß gegenüber dem zu erwartenden verwindungsbedingten Winkelfehler ist, kann die Meßgenauigkeit und damit die Güte der Korrektur durch eine Interpolation zwischen den Einzelmeßwerten noch weiter verbessert werden.

Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 3. Bei rotierendem Aufbau überstreicht bei dieser Vorrichtung der von einer Lasereinheit ausgehende Strahl eine in der Rotationsebene angeord­ nete Lateraldiode und erzeugt in dieser einen Foto­ strom, dessen Verstärkung ein zeitabhängiges Span­ nungssignal liefert. Dieser Signalverlauf kann zunächst bei niedriger konstanter Drehgeschwindigkeit oder bei schrittweiser Verstellung rotierenden Bauteils aufge­ nommen werden, wobei eine gleichzeitige Messung des Drehwinkelsollwertes des bewegten Bauteils die Auf­ zeichnung der Signalspannung in Abhängigkeit vom Drehwinkel und damit die Generierung einer Referenz­ kurve ermöglicht. Wird die gleiche Messung bei be­ schleunigter Bewegung wiederholt und ebenfalls der Signalverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel regi­ striert, so läßt sich aus der Verschiebung der beiden Kurven die Abweichung zwischen dem Winkelsollwert und dem Istwert auf einfache Weise ermitteln und zur Meßwertkorrektur verwenden.

Ein besonders einfacher und störungsunanfälliger Aufbau ergibt sich, wenn sowohl die Registriereinheit als auch die eigentliche Strahlerzeugungseinheit für die elek­ tromagnetische Strahlung auf einer separaten, orts­ festen Trägereinheit angeordnet sind und als am rotie­ renden Bauteil angeordnete Strahlungsquelle lediglich ein Spiegel dient, der die von der Strahlerzeugungs­ einheit emittierte Strahlung in Richtung auf die Re­ gistriereinheit reflektiert. In diesem Fall können insbesondere eine Lasereinheit sowie eine Lateraldiode in Höhe des am rotierenden Bauteil angeordneten Spiegels fest auf einem erschütterungsunempfindlichen fahrbaren Untergestell montiert sein, dem weiterhin auch eine elektronische Meß- und Auswerteeinheit zugeordnet ist.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das rotierende Bauteil mit einem elektronischen Winkelmeßsystem ausgerüstet ist, mit dem der Winkelsollwert gemessen wird. In diesem Fall kann das Ausgangssignal dieses Meßsystems direkt zur Einleitung des Meßvorganges und zur Ermittlung der Referenzkurve benutzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die in den übrigen Ansprüchen angegeben sind, haben einerseits die Optimierung des Meß- und Korrekturvorganges und ande­ rerseits die Schaffung einer möglichst funktionstüch­ tigen Meß- und Auswerteelektronik zum Gegenstand.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Bahnverfolgungssystems mit einem drehbeweg­ lichen Aufbau,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anord­ nung zur Messung und Korrektur beschleuni­ gungsbedingter Winkelmeßfehler,

Fig. 3 den Verlauf des Meßsignals als echte Messung, wie er sich bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ergibt,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer elektronischen Meß- und Auswerteschaltung für die Anordnung gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Steuerung des Meßvorganges sowie der Meßdatenerfassung mittels Prozeß­ rechner.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung handelt es sich um ein Bahnverfolgungssystem, das auch als Multi­ sensorplattform bezeichnet wird und das aus einer fahrbaren Trägerplattform 1 sowie einem auf dieser drehbeweglich gelagerten Turm 2 besteht, der zur Aufnahme diverser Meß- und Beobachtungseinheiten 3 bis 6 dient und der mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Drehantrieb versehen ist. Systeme dieser Art werden beispielsweise im militärischen Bereich zur Ermittlung der Bahnkurven von Flugkörpern und Projek­ tilen eingesetzt und verfügen zu diesem Zweck über ein sehr großes Beschleunigungsvermögen hinsichtlich der vom Turm 2 auszuführenden Drehbewegungen.

Da angesichts der vergleichsweise großen drehbewegten Masse des Turmes 2 trotz entsprechender konstruktiver Maßnahmen zur Gewährleistung einer möglichst großen Verwindungssteifigkeit bei diesen hohen Beschleuni­ gungen Abweichungen des tatsächlichen Drehwinkels der am oberen Ende des Turmes 2 angeordneten Meß- und Beobachtungssysteme 3 bis 6 gegenüber dem von einer auf der Trägerplattform 1 am unteren Ende des Turmes 2 angeordneten, im Fall des hier dargestellten Aus­ führungsbeispiels vollelektronisch arbeitenden Winkel­ meßeinrichtung gelieferten Winkelsollwertes auftreten, ist das hier dargestellte Bahnverfolgungssystem mit einer Vorrichtung ausgestattet, die eine Messung und damit die Korrektur dieser beschleunigungsbedingten Winkelmeßfehler ermöglicht.

Zu diesem Zweck ist im oberen Bereich des Turmes 2 ein Planspiegel 7 angebracht und derart justiert, daß seine Reflexionsebene senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Lasereinheit 9 und Drehachse A des Turmes 2 verläuft. Wie ferner aus der schematischen Draufsicht der gesam­ ten Anordnung in Fig. 2 ersichtlich ist, ist im Abstand zum Bahnverfolgungssystem eine zweite Trägerplattform 8 aufgebaut. Auf dieser ist in Höhe des Planspiegels 7 eine Lasereinheit 9, eine Lateraldiode 10 sowie eine dieser nachgeschaltete Verstärkereinheit 11 positio­ niert. Letztere steht mit einer separat angeordneten elektronischen Meß- und Auswerteschaltung 12 in Ver­ bindung, die außerdem auch mit der hier nicht darge­ stellten elektronischen Drehwinkelmeßeinrichtung des Bahnverfolgungssystems verbunden ist.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Anord­ nung läßt sich anhand des in Fig. 3 dargestellten echten Meßsignalverlaufs erläutern. In dieser Figur ist der Verlauf des von der Lateraldiode 10 erzeugten Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Winkelposition des Turmes 2 und damit des Planspiegels 7 dargestellt. Dieser am Turm 2 montierte Planspiegel 7 reflektiert die von der Lasereinheit 9 emittierte Strahlung in Richtung auf die Lateraldiode 10, in der dadurch ein vom Ort der Bestrahlung abhängiger Fotostrom im Mikro­ amperebereich erzeugt wird.

Bei rotierendem Turm 2 überstreicht der reflektierte Strahl die Lateraldiode 10 und ruft dabei einen Foto­ strom hervor, aus dessen Verstärkung sich ein propor­ tionales, zeitabhängiges Spannungssignal Us = f (t) ergibt. Eine gleichzeitige Messung des Drehwinkels des Turmes 2 ermöglicht dann die Aufzeichnung der Signalspannung Us in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ, d.h. Us = f (ϕ). Wird dieser Signalverlauf zunächst bei niedriger konstanter Drehgeschwindigkeit oder auch schrittweise aufgenommen, so ergibt sich hieraus die in der Darstellung gemäß Fig. 3 dargestellte Referenz­ kurve. Eine Wiederholung der Messung bei beschleunigter Bewegung des Turmes ergibt einen gegenüber der Refe­ renzkurve zu höheren Drehwinkelwerten verschobenen Signalverlauf b₁ in Abhängigkeit vom zugehörigen Drehwinkelreferenzwert.

Da davon ausgegangen werden kann, daß bei langsamer konstanter Drehbewegung der Winkelistwert gleich dem Winkelsollwert ist, kann nun aus der Verschiebung dieser beiden Kurven gegeneinander die Abweichung Δ ϕ als Differenz der beiden Schnittpunkte ϕ 1 und ϕ 2 des linearen Teils der beiden Signalkurven mit der Abszisse gemäß Δ ϕ=ϕ 1-ϕ 2 ermittelt und zur Korrektur der bei beschleunigter Bewegung durchgeführ­ ten Winkelmessungen benutzt werden.

Anzumerken ist hierbei, daß es selbstverständlich auch möglich ist, die Lateraldiode 10 unmittelbar am Turm 2 anzuordnen und diese unmittelbar direkt dem Licht der Lasereinheit 9 auszusetzen, die in diesem Fall eine maximale Leistung von 1 mW nicht überschreiten sollte. Während bei dieser letztgenannten Anordnung gewöhnlich keine Fokussierung des Strahlenganges erforderlich ist, kann insbesondere bei Verwendung eines Planspiegels, wie im Fall der Anordnung gemäß Fig. 2, eine zusätzliche Fokussierung des Laserstrahls erforderlich werden. Hierfür wird vorteilhafterweise eine Optik mit einer Zylinderlinse eingesetzt, die in diesem Fall einen senkrechten Lichtstrich erzeugt.

Die Meß- und Auswerteelektronik 12 enthält, wie in Fig. 4 im Detail dargestellt ist, zunächst den Verstärker 11, der der Lateraldiode 10 unmittelbar nachgeschaltet ist. Ferner umfaßt die Meß- und Auswerteelektronik im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels, in dem der Turm 2 mit einer elektronischen Winkelmeßein­ heit ausgerüstet ist, eine Vergleichereinheit 13. In diese wird das Ausgangssignal der Winkelmeßeinheit 14 eingespeist und mit einem fest voreingestellten Signal verglichen, das einem vorgegebenen Drehwinkel entspricht. Ein zum Zeitpunkt der Gleichheit des voreingestellten und des momentanen Drehwinkelwertes (ϕ=ϕ 1) ausgelöster Impuls wird einer Sample-and-Hold-Stufe 15 zugeführt, an deren Eingang das analoge Meßsignal Us des Verstärkers 11 anliegt. An einem nachgeschalteten Digitalvoltmeter 16 kann dann der Momentanwert Us zum Zeitpunkt des ausgelösten Impulses ausgelesen werden.

Aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert des Signals an der Stelle der Referenzkurve kann nunmehr der Betrag der dynamischen Winkelabweichung unmittelbar entnommen werden.

Weiterhin ist es möglich, über einen Analog-/Digital­ wandler den gesamten zeitlichen Signalverlauf mit einem Prozeßrechner aufzunehmen und in diesem weiter zu verarbeiten. In diesem können die Funktionen Us=f (ϕ) aus den zeitlichen Verläufen von Us und ermittelt und dargestellt werden, die zugehörigen Funktionsglei­ chungen errechnet, die mittlere Verschiebung zwischen der beschleunigten und der unbeschleunigten Bewegung in Richtung der ϕ-Achse ermittelt und der Meßwert für Δ ϕ ausgegeben werden.

Abschließend ist in Fig. 5 noch ein Blockdiagramm einer elektronischen Schaltung dargestellt, mit der der Meßvorgang zur Ermittlung der beschleunigungsbedingten Winkelabweichung gesteuert werden kann. Basis dieser Anordnung ist das in die Multisensorplattform inte­ grierte elektronische Winkelmeßsystem 14, bei dem der Vollkreis (360°) in 2²¹ Inkremente unterteilt ist, so daß die Ermittlung der momentanen Winkelposition mit 0,6 Winkelsekunden Genauigkeit erfolgen kann. Das von dieser Winkelmeßeinrichtung abgegebene elektronische Signal wird zur Steuerung des eigentlichen Meßvorganges benutzt. Dabei wird zunächst eine vorgegebene Position des Turmes 2, die zweckmäßigerweise kurz vor dem Eintritt des Laserstrahls in die Lateraldiode 10 liegt, angefahren und der Wert der Winkelmeßeinrichtung gespeichert. Die Bewegung des Turmes 2 wird dabei über eine Vorwärts-Rückwärts-Zähleinheit 20 an einen Posi­ tions-Trigger 21 übermittelt, der durch zwei Stellele­ mente 22 und 23 ansteuerbar ist. Mit letzteren sind einerseits die Übernahme-Position sowie andererseits der Trigger-Modus (Dauer, Bereich, Festpunkt) wählbar.

Über Schleifringe 24 gelangt das Ausgangssignal des Positions-Triggers 21 an den DMA-Eingang des Analog-/ Digital-Wandlers 25. Letzterer steht einerseits mit der Lateraldiode 10 bzw. dem Verstärker 11 und andererseits mit dem Prozeßrechner 26 in Verbindung.

Bei der Bewegung des Turmes 2 während der dynamischen Messung wird die Meßwertaufnahme bei Überschreitung des voreingestellten Winkelsollwerts gestartet. Das ver­ stärkte Signal der Lateraldiode 10 wird dann, getaktet durch das Signal des Winkelmeßsystems 14, gewandelt und dem Prozeßrechner 26 zugeleitet und in diesem, wie bereits beschrieben, verarbeitet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Korrektur von beschleunigungsbeding­ ten Winkelmeßfehlern bei Beobachtungssystemen mit großen rotierenden Massen, insbesondere bei Bahn­ verfolgungssystemen, bei dem der Verlauf der Intensität einer von einer Strahlungsquelle ausge­ henden elektromagnetischen Strahlung während der Drehbewegung eines rotierenden Bauteils in einer im Abstand von der Strahlungsquelle angeordneten, lateral auflösenden Registriereinheit für diese Strahlung erfaßt wird, wobei eine der Komponenten des optischen Systems am rotierenden Bauteil und wenigstens eine weitere Komponente ortsfest ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst bei einer niedrigen Winkelgeschwindigkeit durch gleichzeitige Messung des Drehwinkels und der Intensität eine Referenzkurve aufgenommen wird, die Messung bei beschleunigter Bewegung wiederholt wird und aus der dabei gemessenen Verschiebung des Meßsignalverlaufs in Richtung der Bewegung des rotierenden Bauteils (2) die Abweichung zwischen dem Winkelsollwert und dem Istwert ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung aus Laserlicht besteht.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, bestehend aus einer eine Lasereinheit umfassenden Strahlungsquelle sowie einer auf die Frequenz der Lasereinheit abgestimmter Registriereinheit, wobei eine der Komponenten des optischen Systems am rotierenden Bauteil und wenigstens eine weitere Komponente ortsfest angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Registriereinheit aus einer mit ihrer Wirkungsrichtung in der Rotationsebene des rotierenden Bauteils (2) angeordneten Lateraldiode (10) besteht, der eine elektronische Verstärker- und Auswerteschaltung (11, 12) nachgeschaltet ist und zur Erfassung der Winkelposition des rotierenden Bauteils (2) eine Winkelmeßeinheit (14) angeordnet ist, die mit einer Verstärker- und Auswerteschaltung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lateraldiode (10) unmittelbar am rotierenden Bauteil (2) gehaltert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Winkelposition des rotierenden Bauteils (2) eine elektronische Winkelmeßeinheit (14) vorgesehen ist, die mit der Verstärker- und Auswerteschaltung (11, 12) verbunden ist.