DE3939353A1

DE3939353A1 - Messverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE3939353A1
Application number: DE19893939353
Authority: DE
Inventors: Ben-Michael Schueler
Original assignee: SCHUELER BEN MICHAEL
Current assignee: SCHUELER BEN MICHAEL
Priority date: 1989-11-24
Filing date: 1989-11-24
Publication date: 1991-05-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Lagemeßverfahren und eine -vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche.

Lagemeßverfahren, deren Meßwerte elektronisch angezeigt, registriert oder weiterverarbeitet werden sollen, enthalten i. a. eine codierte Maßstabverkörperung und eine Abtasteinrichtung, die die Codeinformation in elektrische Signale umformt. Diese Signale werden durch elektronische Auswertung zu einer geeigneten Darstellung des Meßwertes verarbeitet.

Für den Erfindungsgedanken ist es unerheblich, ob das physikalische Prinzip der Maßstabverkörperung und der Abtastung mechanisch, galvanisch, kapazitiv, induktiv oder optisch ist, ob die Codierung zwei- oder mehrwertig ist und ob die Codemarken direkt oder durch ein z. B. holographisches Abbildungsverfahren verkörpert sind.

Man unterscheidet inkrementale und absolute Meßverfahren. Letztere sind dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert bei beliebiger momentaner Lage ohne Vorinformation bei Stillstand oder innerhalb einer nur geringfügigen Bewegung der Abtasteinrichtung ermittelt werden kann. Die Erfindung betrifft Verfahren dieser Art.

Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens werden hier Verfahren beschrieben, die optisch abgetastete, zweiwertige Markierungen enthalten. Unter Meßschritt wird im folgenden die Strecke oder der Winkel der Größe S verstanden, der dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Codezahlen (Meßwerte) entspricht. Dies ist i. a. gleich der Länge der kleinsten Markierung. Die Auflösung der Meßeinrichtung kann durch weitere interpolierende Maßnahmen weiter erhöht werden.

Bekannt sind Verfahren, bei denen die Meßwerte über den jeweiligen Meßbereich M binär oder im Gray-Code verschlüsselt sind. Hierfür sind L = aufgerundet (log₂M) Binärstellen erforderlich, die in L parallelen oder konzentrischen Spuren auf dem Maßstab angebracht und parallel abgetastet werden.

Solche Verfahren erfordern Raum für die Unterbringung mehrerer Meßspuren und hohe Herstell- und Justiergenauigkeit für die eindeutige Abtastung.

Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen die so codierten Meßwerte seriell auf eine Spur gebracht werden, wobei aber pro Meßschritt mindestens L Markierungen untergebracht werden müssen und außerdem durch andere Mittel der Codeanfang ermittelt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die eine Absolutmessung mit nur einer Codespur bei sonst gleichen oder geringeren Anforderungen an die Herstellgenauigkeit der Meßeinrichtung und an den Aufwand bei der Abtastung gestattet. Hierdurch können die Herstellkosten und der Platzbedarf der Einrichtung gesenkt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen speziellen, seriell überlappenden Code und durch eine elektronische Übersetzungseinrichtung zur Rückgewinnung der Meßwerte gelöst. Der Code hat die Eigenschaft, daß jeweils L konsekutive Code- Elemente über den gesamten Meßbereich eindeutige, d. h. paarweise untereinander ungleiche Kombinationen, z. B. Binärzahlen, ergeben. Diese Binärzahlen werden elektronisch, z. B. in einem Nur-Lese-Speicher (ROM) in den Zahlenbereich des Meßbereiches eindeutig abgebildet.

Am Beispiel eines kleinen Meßbereiches von M=16 Schritten soll dies hier gezeigt werden. Für einen linearen Code (Streckenmessung) enthält der Maßstab M+L-1=19 Markierungen, die hier durch 0 und 1 dargestellt werden.

0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0

jeweils 4 konsekutive Stellen zusammengefaßt ergeben dezimal die Zahlenreihe:

0 1 2 4 9 3 6 13 10 5 11 7 15 14 12 8,

die in einem ROM von 16 mal 4 bit in die Zahlenwerte 0 bis 15 übersetzt werden können, wenn an den Adressen 0 bis 15 die Zahlen

0 1 2 5 3 9 6 11 15 4 8 10 14 7 13 12

gespeichert sind.

Wird unter Fortlassung der ersten drei Stellen dieser Code zyklisch geschlossen, ist eine Winkelmessung in 16 Schritten ohne Anfangsmarkierung möglich.

Lineare und zyklische Codierungen sind für alle praktisch vorkommenden Meßbereiche algorithmisch zu finden. Bleibt die Schrittzahl M des Meßbereiches unter N=2^L, so können bestimmte Codezahlen ausgeschlossen werden. Werden z. B. die Codierungen 0 und N-1 (alles Nullen und alles Einsen) ausgeschlossen, so kann durch das Vorhandensein mindestens einer Flanke das Funktionieren der Abtasteinrichtung laufend überprüft und die Meßgenauigkeit erhöht werden. Werden alle Codierungen von der Form 2^J-1 und N-2^J (0J<L) ausgeschlossen, so enthält jeder Code mindestens eine ansteigende und eine abfallende Flanke, wodurch die Ablesegenauigkeit weiter erhöht werden kann.

Die Abtastung

Wenn nicht anders beschrieben, sind im folgenden zweiwertig schaltende Abtast-Elemente gemeint.

Die einfachste Abtasteinrichtung besteht aus nur einem Abtastelement. Ist in jedem Moment die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit bekannt, so kann durch Registrierung der Abtastwerte nach spätestens L Meßschritten S die Lage ermittelt werden und laufend verfolgt werden. Bei Messungen bei sehr langsamer Bewegung oder bei Stillstand kann der Abtastpunkt über die Strecke von L Meßschritten S bewegt werden.

Werden L Abtastelemente verwendet, kann der Meßwert parallel abgetastet werden, wenn durch andere Mittel, z. B. Schrittantrieb oder Relativbewegung der Abtasteinrichtung um die Strecke S, die Unsicherheit an der Flanke ausgeschlossen wird.

Werden in der Codierung die Werte int (N/3) und int (2N/3) alternierende bits) ausgeschlossen, so kann eine eindeutige Auslesung mit L dreiwertigen Abtastelementen durch Flankenerkennung erreicht werden.

Mit 2L Abtastelementen kann eine eindeutige Messung entweder durch die bei herkömmlichen Einrichtungen bekannte V-Abtastung oder durch Anordnung über die Länge von L Meßschritten, d. h. im Abstand von S _* L/(2L-1) erreicht werden.

Bei 3L Abtastelementen kann eine Auflösung von S/3 erreicht werden. Hierbei werden die 3L Abtastelemente im jeweiligen Abstand von S/3 angeordnet und in drei Gruppen zu L Elementen so zusammengefaßt, daß jeweils jedes dritte Element zur gleichen Gruppe gehört. Werden die drei Gruppen decodiert, so werden mindestens zwei Gruppen identische oder aufeinanderfolgende Meßwerte ergeben, falls die Schalttoleranz der Abtastelemente kleiner ist S/3 ist.

Eine besonders hohe Auflösung der Meßeinrichtung kann durch Abbildung der Codierung der Länge L _* S auf eine Abtasteinrichtung mit sehr großer Zahl von Elementen, z. B. ein Zeilen-CCD, erreicht werden.

Sollen aus Platzgründen die Abtastelemente einen größeren Abstand haben, so können die Codeelemente um ein Vielfaches V des Abstandes S auseinandergezogen werden, wenn V und M teilerfremd sind.

Mit einem einfachen Beispiel soll dies hier gezeigt werden. Es wird ein zyklischer Code der Länge M=12 unter Ausschluß der Codes 0 und 15 gewählt:

0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1

Mit der ersten Gruppe von vier Stellen beginnend ergibt sich die Reihe

7 14 12 8 1 2 4 9 3 6 13 11

Werden die Code-Elemente im Abstand V=5 (5 und 12 teilerfremd) eingetragen, ergibt sich die Codierung

0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1

Werden die Abtastelemente im Abstand V _* S angeordnet (hier fällt wegen der Kürze dieses Beispiels das vierte Element zwischen das erste und zweite), so ergibt die decodierte Reihe

7 2 13 8 3 14 4 11 1 6 12 9.

Mehrstufige Lagemeßverfahren

Bei mechanisch übersetzten Maschinen oder Einrichtungen, bei denen die Anzahl der Umdrehungen registriert werden soll, können nach Anspruch 2 erfindungsgemäße Lagemeßverfahren in mehreren Stufen eingesetzt werden.

Um eine erhöhte Genauigkeit der Messung zu erreichen, kann auch ein Verfahren nach Anspruch 1 mit einer interpolierenden Feinmeß-Einrichtung kombiniert werden. Wird z. B. parallel zur codierten Spur eine Taktspur mit halber Strichbreite angeordnet, so kann durch interpolierende Abtasteinrichtungen die Lage innerhalb der Strecke S ermittelt werden. Die Code- Abtasteinrichtung kann dann z. B. N+1 Elemente enthalten, die im Abstand S _* (L-1/L) angeordnet sind. Die Codierung kann dann bei jeder Lage ermittelt werden.

Codierung

Zum Auffinden geeigneter Codes kann ein einfaches Computerprogramm geschrieben werden. Ein Algorithmus für zyklische Codes wird im folgenden verbal beschrieben:

1. Initialisiere:
Lege den Meßbereich M, den Anfangswert A und die minimale Flankenzahl F (0, 1 oder 2) fest. Berechne L und N=2^L. Wenn F=0 dann muß MN, wenn F=1 dann MN-2 (0 und N-1 ausgeschlossen), wenn F=2 dann MN-2L (2^J-1 und N-2^J (0J<L) ausgeschlossen). Definiere einen Ganzzahlbereich C der Länge M und einen Boolschen Bereich B der Länge N (Indexanfang=0). (C nimmt die Codezahlen auf, und in B werden die besetzten Codezahlen C (I) durch B (C(I))=1 markiert.) Markiere die auszuschließenden Codezahlen in B.
Wenn B (A)=1 dann beende erfolglos (ausgeschlossener Anfangswert).
2. Schleifen-Initialisierung:
Setze den aktuellen Code C=A und den Index I=0.
3. Vorwärts-Schleife:
Setze C (I)=C, B (C)=1 und I=I+1. Wenn IM gehe nach 5.
Setze C=(C+C) mod N (Shift). Wenn B (C)=0 gehe nach 3.
Setze C=C+1 (letztes bit=1). Wenn B (C)=0 gehe nach 3.
4. Rückwärts-Schleife:
Setze I=I-1. Wenn I=0 dann beende erfolglos.
Setze C=C (I) und B (C)=0. Wenn (C mod 2)=1 gehe nach 4.
Setze C=C+1. Wenn B (C)=0 gehe nach 3. Sonst gehe nach 4.
5. Zyklus-Prüfung:
Wenn C mod (N/2) ≠ int (A/2) gehe nach 4.
6. Erfolg:
Der Bereich C enthält die Codezahlen. Die C (I) mod 2 sind die Code-Elemente. Der ROM für die Decodierung wird an den Adressen C (I) mit I (0I<N) programmiert.

Ende des Algorithmus.

Das Auffinden geeigneter Anfangswerte A erfordert einiges Probieren. Aber auch diese Aufgabe kann programm-unterstützt werden. Der Algorithmus kann optimiert werden, insbesondere bei der Zyklusprüfung.

Toleranzen

Bekannte Meßverfahren mit parallelen Spuren erfordern eine hohe Genauigkeit der relativen Lage der Abtasteinrichtung zu den Codeflanken über alle Spuren. Bei Winkelmessungen muß eine gute Zentrierung der Codescheibe und eine radiale Anordnung der Flanken und der Abtasteinrichtung gewährleistet sein.

Gemäß des Erfindungsgedankens entfällt bei nur einer Spur die Radialitätsforderung der Maßstabverkörperung weitgehend. Parallelitätsfehler der Abtasteinrichtung gehen nur mit dem Cosinus des Fehlwinkels ein. Zentrierfehler Z der Codescheibe erzeugen einen Meßfehler von atan (Z _* Radius) _* sin (Winkel), der gegebenenfalls durch eine Korrekturfunktion in der auswertenden Elektronik kompensiert werden kann. Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Maßstabverkörperung können ebenfalls algorithmisch korrigiert werden, und es können im Dekodierungs- ROM Korrekturterme gespeichert sein.

Beschreibung der Figur

Auf der Welle (1), deren Winkelwert zu messen ist, ist die Code- Scheibe (2) befestigt. Die Abtasteinrichtung (3), die hier der Übersichtlichkeit wegen außen dargestellt ist, hat sechs von 0 bis 5 numerierte Elemente (4). Die Abtasteinrichtung arbeitet mit sogenannter V-Abtastung, um Mehrdeutigkeiten an den Schrittgrenzen zu vermeiden.

In der augenblicklichen Stellung ist die Ausgabe der Abtastung (5) in der üblichen Reihenfolge von 5 bis 0: 0 1 0 0 0 1=17 dezimal.

Der leichten Verständlichkeit wegen ist auf der Figur ein zyklischer Code der Länge 36 dargestellt, der eine Auflösung von 10 Grad pro Schritt ergibt. Der Code ist so gewählt, daß in jeder Stellung mindestens zwei Kanten auftreten. Die Breite ist sechs bit. Die nachfolgend wiedergegebene Tabelle zeigt den Binärcode, den Dezimalwert und den zugehörigen Lagemeßwert. Ungültige Codes sind durch _{* *} gekennzeichnet.

Code-Tabelle

Wird diese Tabelle z. B. in einem Nur-Lese-Speicher (ROM) realisiert, so kann aus dem Abtastwert als Adresse der Meßwert direkt ausgelesen werden.

Im hier gezeigten Beispiel ist der derzeitige Meßwert an der Adresse 17 gleich 19, was 190 Grad entspricht. Dreht sich die Welle um einen Schritt im Uhrzeigersinne, so ist der Abtastwert 1 0 0 0 1 1=35 dezimal und der zugehörige Meßwert 20 oder 200 Grad.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Strecken oder Winkeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßspur mit einer Sequenz von M Markierungen abgetastet wird, die bei Abtastung einer vom Logarithmus von M abhängigen Anzahl von Markierungen M verschiedene Kombinationen ergeben, aus denen die Lageinformation für jede Einzelmarkierung dekodiert wird.

2. Vorrichtung zur Messung von Strecken oder Winkeln mit Hilfe eines eine Codierung (Meßspur) tragenden Teiles (Codierscheibe), einer relativ zur Codierscheibe bewegbaren Einrichtung zum Abtasten der Codierung und einer Einrichtung zur Ausgabe eines der Abtastung entsprechenden Stellungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspur aus einer Vielzahl von Einzelmarkierungen (z. B. Bits in Hell- oder Dunkelmarkierung) gebildet ist, die jeweils in Gruppen von L einander benachbarten oder nahe beieinander angeordneten Einzelmarkierungen als Code-Wort zusammengefaßt von der Abtasteinrichtung mit L-Abtastern gleichzeitig abgetastet wird, wobei die Codierung so gewählt worden ist, daß jedes Code-Wort nur ein einziges Mal vorkommt (keine Paarbildung).