DE4137092A1 - Verfahren zum messen von winkeln unter verwendung wenigstens eines winkelcodierers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Winkeln unter Ver­ wendung wenigstens eines Winkelcodierers, bei dem Bereiche von konzen­ trischen Spuren eines Drehelements mit in Abhängigkeit von der Winkelstellung wechselnden physikalischen Eigenschaften abgetastet werden und das Meßergebnis durch eine Auswerteschaltung digital in codierter Form ausgegeben wird, wobei mehrere Drehelemente jeweils unter Zwi­ schenanordnung eines Untersetzungsgetriebes zur Ermittlung der Anzahl der Umdrehungen des vorgeschalteten Drehelements hintereinandergeschal­ tet sein können.

Winkelcodierer dienen zum Messen von Winkeln, wobei die Information digi­ tal in codierter Form ausgegeben wird. In Verbindung mit entsprechenden mechanischen Zwischengliedern, die Drehbewegungen in Längsbewegungen umwandeln, wie beispielsweise Meßspindeln an Werkzeugmaschinen, werden Winkelcodierer auch zur Längenmessung eingesetzt. Die Digitalisierung und Codierung der verschiedenen Winkelpositionen erfolgt üblicherweise bei der Herstellung der Maßverkörperung in Form einer Codescheibe, die auf kon­ zentrischen Spuren Bereiche mit in Abhängigkeit von der Winkelstellung wechselnden physikalischen Eigenschaften trägt. Die Zahl der unterscheid­ baren Einzelpositionen hängt dabei von der gewünschten Auflösung ab. Denkt man sich vom Mittelpunkt der Codescheibe ausgehend eine radial verlaufende Ableselinie, dann sind bei N unterschiedlichen Spuren und N Abtastelementen maximal 2^N Positionen pro Umdrehung unterscheidbar. Am gebräuchlichsten zur Maßverkörperung sind Glasscheiben mit transparenten und nichttransparenten Zonen, die photoelektrisch abgetastet werden. Da­ neben gibt es auch Winkelcodierer auf kapazitiver, induktiver oder auch resistiver Basis.

Da sich nach einer vollen Umdrehung der Codescheibe das Codemuster wie­ derholt, sind zur eindeutigen Unterscheidung mehrerer Umdrehungen wei­ tere Codescheiben notwendig, die über Untersetzungsgetriebe miteinander gekoppelt sind. Möchte man beispielsweise 16 Umdrehungen messen, dann ist ein Getriebe mit einer Untersetzung von 1 : 16 erforderlich sowie eine zweite Codescheibe mit 16 unterscheidbaren Positionen, die bei jeder vollen Umdrehung um eine Position weiterbewegt wird. Da das Getriebespiel des Untersetzungsgetriebes nur in einem beschränkten Bereich unwirksam ge­ macht werden kann, lassen sich nicht beliebig große Untersetzungen zwi­ schen zwei benachbarten Codescheiben realisieren. Möchte man beispiels­ weise 256 Umdrehungen messen, empfiehlt es sich, insgesamt drei Code­ scheiben zu verwenden, von denen die erste innerhalb einer Umdrehung mißt, die zweite 1 : 16 bezüglich zur ersten untersetzt ist und sich nach insgesamt 16 Umdrehungen der ersten Codescheibe einmal um 360° dreht und von denen schließlich die dritte Codescheibe wiederum gegenüber der zweiten Codescheibe um 1 : 16 untersetzt ist und erst nach 256 Umdrehun­ gen der Eingangswelle eine volle Umdrehung macht und auch wiederum 16 Einzelpositionen unterscheidet. In entsprechender Weise können natürlich noch größere Meßbereiche realisiert werden.

Ein wesentliches Merkmal dieser Winkelcodierer ist, daß das immer vorhan­ dene Spiel der verschiedenen Untersetzungsgetriebe völlig unwirksam ge­ macht werden kann, indem man geeignete Maßnahmen wie beispielsweise eine Doppelabtastung in Form der U- oder V-Abtastung verwendet und so­ mit ein gleichzeitiges Schalten aller relevanten Bits synchron zum Signal­ wechsel in der ersten Scheibe sicherstellt.

Nachteilig bei diesem bekannten Meßverfahren mit hintereinander angeord­ neten Winkelcodierern ist die konventionelle Abtastung der Codescheiben. Dies ist nur mit einem großen Kostenaufwand technisch realisierbar. Da­ rüber hinaus nimmt das bekannte System viel Platz ein.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Meßverfahren derart weiterzuentwickeln, daß unter Beibehaltung der bisherigen Meßgenauigkeit das Meßverfahren mit einfacheren techni­ schen Mitteln durchführbar ist.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß dem Drehelement oder - bei der Verwendung von mehreren Drehelementen - dem letzten Drehelement gegebenenfalls unter Zwischenanordnung eines Untersetzungsgetriebes ein Meßwertgeber zur Erzeugung eines Meßwertes in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Gesamtwinkelweg des Drehelements nachgeordnet ist, wobei bestimmten, vorgegebenen Meßwerten oder Meß­ wertbereichen in der nachgeordneten Auswerteschaltung die zugehörige Umdrehungszahl des Drehelements zugeordnet wird.

Auf diese Weise ist ein Verfahren zur digitalen Winkelmessung unter gleichzeitiger Codierung der Winkelinformation geschaffen, welches sich technisch einfach realisieren läßt. So kann aufgrund der Verwendung von Meßwertgebern auf eine aufwendige konventionelle Abtastung, welche da­ rüber hinaus viel Platz beansprucht, verzichtet werden. Statt dessen liefert der Meßwertgeber einen Meßwert, der direkt von dem Gesamtwinkelweg ab­ hängt, welchen das Drehelement zurückgelegt hat, wobei unter diesem Ge­ samtwinkelweg derjenige Winkelweg zu verstehen ist, den das Drehelement von Beginn des Meßvorganges an gemacht hat, so daß in diesem Gesamtwin­ kelweg die Summe sämtlicher bisheriger Umdrehungen enthalten ist. Da be­ stimmten Meßwerten bzw. Meßwertbereichen jeweils eine bestimmte Umdre­ hungszahl zugeordnet ist, läßt sich aus dem aus dem Meßwertgeber erhal­ tenen Meßwert die Anzahl der gemachten Umdrehungen ermitteln.

Vorzugsweise ist der Meßwertgeber ein Analogwertgeber, wobei die Analog­ werte zunächst in einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und die so erzeugten Digitalwerte der Auswerteschaltung aufgegeben werden. Ein der­ artiges analoges Ausgangssignal läßt sich mittels eines entsprechenden Meßwertgebers leicht erzeugen. Da aber die Auswertung digital erfolgt, werden die Analogwerte zunächst in Digitalwerte umgewandelt.

Vorzugsweise werden dabei als Analogwertgeber Potentiometer oder kapazi­ tive oder induktive Meßwertgeber wie beispielsweise Drehkondensatoren, Tauchspulsysteme, Differentialtransformatoren verwendet. Bei der Verwen­ dung von Potentiometern kann es sich je nach verwendetem Meßbereich um einen Einfach- oder einen Mehrgangpotentiometer handeln. Das Potentiome­ ter arbeitet dabei vorzugsweise in Spannungsteilerschaltung mit einem hochohmigen Anpaßverstärker, so daß eine Verfälschung des Meßwertes durch den Schleiferabgriff vernachlässigbar ist. Das Ausgangssignal des Potentiometers wird dann dem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt, der es in bekannter Weise in einen Digitalwert umwandelt.

Als Auswerteschaltung werden vorzugsweise Mikroprozessoren, Mikrocon­ troller oder programmierbare Logikschaltungen mit Speichern verwendet. Dies stellen einfache technische Möglichkeiten zur Realisierung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens dar.

Bei der Verwendung eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers wird vor­ zugsweise außer der eigentlichen Signalauswertung auch die Analog-Digital-Um­ setzung durchgeführt. Dadurch läßt sich das erfindungsgemäße Verfah­ ren hinsichtlich des apparativen Aufwandes weiter vereinfachen.

Da sowohl das Getriebespiel des Untersetzungsgetriebes als auch die Nicht­ linearitäten und Fehler des Potentiometers die Meßgenauigkeit beeinträchti­ gen, ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung in einer bevorzugten Wei­ terbildung eine spezielle Auswerteschaltung, um diese Fehler unwirksam zu machen. Sofern allerdings die Anforderungen an die gewünschte Genauig­ keit für die Messung der Umdrehungen gering ist, kann auf diese bevor­ zugte Weiterbildung verzichtet werden, wobei allein die Kombination aus Drehelement, Untersetzungsgetriebe sowie Meßwertgeber ausreicht, um in­ nerhalb bestimmter Fehlergrenzen eine Winkelmessung durchführen zu kön­ nen. Um aber die erwähnten Fehler unwirksam zu machen, wird in einer ganz bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß bei einer bestimmten Spur des Drehelements dem letzten Teilabschnitt einer bestimmten physikalischen Eigenschaft vor dem Abschluß einer vollen Um­ drehung sowie dem ersten Teilabschnitt der sich daran anschließenden ge­ wechselten physikalischen Eigenschaft bei Beginn einer neuen Umdrehung jeweils dem zugehörigen Soll-Meßwertbereich ein Toleranz-Meßwertbereich zur Definierung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Meßwertge­ bers zugeordnet wird, wobei sich die Toleranz-Meßwertbereiche dieser bei­ den aneinandergrenzenden Teilabschnitte überlappen, und daß das bei einem Wechsel der physikalischen Eigenschaft der bestimmten Spur anlie­ gende Signal in der Weise als Signal für den Abschluß einer vollen Umdre­ hung des Drehelements verwendet wird, daß der synchron anliegende Meß­ wert des Meßwertgebers im Überlappungsbereich der Toleranz-Meßwertbe­ reiche zwischen dem letzten Teilabschnitt der noch alten Umdrehung und dem ersten Teilabschnitt der neuen Umdrehung richtig der jeweiligen Um­ drehung zugeordnet wird. Die Grundidee besteht dabei darin, daß synchron zum Signalwechsel nach erfolgter voller Umdrehung des Drehelements, wenn sich also die physikalische Eigenschaft der ausgewählten Spur än­ dert, dies als Information für die Auswerteschaltung genommen wird, daß eine derartige volle Umdrehung stattgefunden hat. Da aber die Auswerte­ schaltung nicht weiß, die wievielte Umdrehung es war, werden zuvor sich überlappende Toleranz-Meßwertbereiche zu den für die Signalerzeugung verantwortlichen, aneinandergrenzenden Teilabschnitte der ausgewählten Spur mit der Maßgabe definiert, daß der innerhalb eines bestimmten Über­ lappungsbereiches liegende Meßwert einer bestimmten abgeschlossenen Um­ drehung zuordenbar ist. Es versteht sich dabei von selbst, daß diese To­ leranz-Meßwertbereiche sowie deren Überlappungen sich von Umdrehung zu Umdrehung verändern, insbesondere erhöhen, so daß diese eindeutige Zuordnung gewährleistet ist. Auf diese Weise ist ein Meßverfahren geschaf­ fen, welches überaus exakt und zuverlässig arbeitet.

In einer ersten Ausgestaltung dieser bevorzugten Weiterbildung der Erfin­ dung wird vorgeschlagen, daß zur Definierung der unteren und oberen To­ leranzgrenzen des Meßwertgebers die Meßwertgeberkurve an definierten Stützstellen ausgemessen wird und die Stützstellen zu einem Polygonzug li­ near miteinander verbunden werden und daß anschließend der Polygonzug in einen weitgehend linearen Verlauf umgerechnet wird und schließlich die Toleranzgrenzen festgelegt werden. Dadurch kann man das vorhandene To­ leranzband für die Fehlersumme besser ausnutzen, indem der Linearitäts­ fehler des Potentiometers oder eines entsprechenden Analogmeßwertgebers weitgehend eliminiert wird. Dies geschieht bei dieser Weiterbildung da­ durch, daß man die Potentiometerkurve an bestimmten Stützstellen ausmißt und diese Stützstellen mit Geradenstücken verbindet. Man nähert damit die nichtlineare Potentiometerkurve durch einen Polygonzug an, der in bekannter Weise dann in den gewünschten linearen Kurvenverlauf umge­ rechnet werden kann. Anschließend werden die Toleranzgrenzen bzw. To­ leranzfelder festgelegt, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Der ver­ bleibende Fehler ist dabei abhängig von der Dichte der gewählten Stütz­ stellen. Die Stützwerte können in einfacher Weise dadurch gewonnen wer­ den, daß man ein solches Potentiometer mechanisch mit einem hochauflösen­ den digitalen Winkelmeßsystem verbindet und an definierten Stellen, bei­ spielsweise jeweils im Abstand von 180°, d. h. zweimal pro Umdrehung, das Teilerverhältnis des Potentiometers mißt.

In einer alternativen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß zur Definie­ rung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Meßwertgebers auf der realen Meßwertgeberkurve Stützstellen definiert werden, welche die Toler­ anz-Meßwertbereiche definieren. Man definiert somit die Toleranzfelder nicht mehr anhand einer Linearisierung der Potentiometerkurve als ideali­ sierte Kurve, sondern in Abhängigkeit von der realen Potentiometerkurve, um von diesen Stützstellen aus dann die Toleranzfelder zu definieren, wo­ bei die dadurch definierten Toleranzgrenzen als Kurven ausgebildet sind, die die Grenzen für den praktisch nutzbaren Toleranzbereich für die Feh­ lersumme (insbesondere für das Getriebespiel) kennzeichnen. Diese Weiter­ bildung erlaubt eine wesentliche Erweiterung des Toleranzbereiches (insbe­ sondere für das Getriebespiel) und macht somit entweder bei gleichbleiben­ den Fehlern eine Steigerung der Auflösung oder umgekehrt bei gleichblei­ bender Auflösung eine Erhöhung der zulässigen Fehler möglich, ohne die Genauigkeit der Gesamtauswertung zu beeinträchtigen.

In einer bevorzugten Weiterbildung hiervon wird vorgeschlagen, daß als Spur für die Ermittlung der Umdrehungszahl die gröbste Spur des Dreh­ elements verwendet wird. Dabei weist diese gröbste Spur vorzugsweise ins­ gesamt zwei Teilabschnitte auf. Diese Spur löst somit eine Umdrehung des Drehteils in zwei Schritte auf, von denen der erste von 0° bis 180° und der zweite von 180° bis 360° geht. Die beiden Teilabschnitte sind somit gleich groß und schließen den gleichen Winkel von jeweils 180° ein. Dabei reihen sich die den aufeinanderfolgenden Umdrehungen zugeordneten To­ leranz-Meßwertbereiche eines bestimmten Teilabschnittes nahtlos aneinan­ der. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß sich die Überlappungsbereiche nahtlos aneinanderschließen und somit jedem beliebigen Meßwert eine ein­ deutige Umdrehungszahl zuordenbar ist. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß sich die Toleranz-Meßwertbereiche des bestimmten Teilabschnittes be­ züglich der aufeinanderfolgenden Umdrehungen nicht überlappen, da an­ sonsten keine eindeutige Zuordnung zur einer bestimmten Umdrehungszahl gegeben ist.

Schließlich wird in einer Weiterbildung hiervon vorgeschlagen, daß der Schwerpunkt des Toleranz-Meßwertbereiches in der Mitte des zugehörigen Soll-Meßwertbereiches liegt. Der Toleranz-Meßwertbereich deckt somit sym­ metrisch den zugehörigen Soll-Meßwertbereich ab.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zum Messen von Winkeln wird nachfolgend an­ hand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema der Vorrichtung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung des erfin­ dungsgemäßen Meßprinzips,

Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung des erfin­ dungsgemäßen Meßprinzips in einer alternativen Ausfüh­ rung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht zunächst aus einem mittels einer Welle 1 drehbaren Winkelcodierer in Form einer sogenannten Code­ scheibe 2, bei der es sich um eine Glasscheibe handeln kann. Diese Code­ scheibe 2 weist insgesamt vier zueinander konzentrische Spuren S1 bis S4 auf, die mit gleichmäßigem Winkelabstand abwechselnd transparente und nichttransparente Teilabschnitte T bzw. T′ aufweisen. Die innerste Spur S1 ist dabei die gröbste Spur der Codescheibe 2 mit einem ersten Teilab­ schnitt T von 0° bis 180° und einem zweiten Teilabschnitt T′ von 180° bis 360°, so daß diese Spur S1 eine volle Umdrehung der Codescheibe 2 ledig­ lich in zwei Schritte auflöst. Jeder dieser Spuren S1 bis S4 ist eine (nicht dargestellte) optische Abtasteinrichtung zugeordnet.

Der Codescheibe 2 mit ihrer Welle 1 ist unter Zwischenanordnung eines Un­ tersetzungsgetriebes 3 mit einem Untersetzungsverhältnis von 1 : 16 ein Po­ tentiometer 4 nachgeordnet, welches schematisch angedeutet ist. Dieses Po­ tentiometer 4 kann je nach verwendetem Meßbereich ein Einfach- oder Mehrgangpotentiometer sein. Es arbeitet in Spannungsteilerschaltung mit einem hochohmigen Anpaßverstärker 5, so daß eine Verfälschung des Meß­ wertes durch den Schleiferabgriff vernachlässigbar ist.

Das Ausgangssignal des Potentiometers 4 wird einem Analog-Digital-Umset­ zer 6 zugeführt, der das analoge Ausgangssignal in bekannter Weise in einen Digitalwert umwandelt.

Da sowohl das Getriebespiel des Untersetzungsgetriebes 3 als auch die Nichtlinearitäten und Fehler des Potentiometers 4 die Meßgenauigkeit beein­ trächtigen, ist eine spezielle Auswerteschaltung 7 nachgeordnet, um diese Fehler unwirksam zu machen.

An die Auswerteschaltung 7 schließt sich dann ein Ausgangsverstärker 8 für den digitalen Winkelwert an.

Die in ihrem Grundaufbau beschriebene Meßvorrichtung funktioniert in Be­ zugnahme auf Fig. 2 wie folgt:

Die Codescheibe 2 dreht sich mittels der Welle 1, wobei die Spuren S1 bis S4 mit ihren Teilabschnitten T und T′ abgetastet werden. Über den Lei­ tungszweig L werden die entsprechenden Signale dem Ausgangsverstärker 8 zugeführt und man erhält zu der jeweiligen Winkelstellung der Code­ scheibe 2 den digitalisierten Wert für diesen Winkel.

Da nach einer vollen Umdrehung der Codescheibe 2 sich das Codemuster der Spuren S1 bis S4 wiederholt, muß noch eine zusätzliche Identifizierung dahingehend durchgeführt werden, wie viele Umdrehungen die Codescheibe 2 bisher gemacht hat. Zu diesem Zweck ist die Welle 1 der Codescheibe 2 über das Untersetzungsgetriebe 3 mit dem Untersetzungsverhältnis 1 : 16 mit dem Potentiometer 4 mit einem Schleifabgriff verbunden. An diesem Poten­ tiometer 4 soll eine Spannung von 10 V anliegen. Der jeweilige Spannungs­ abgriff ist mit U_a bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß für einen Drehwinkel von 360° der Codescheibe 2 bzw. ihrer Welle 1 ein Ausgangssignal am Potentiometer 4 von 100 mV auftritt, so daß bei der Versorgungsspannung des Potentiometers 4 mit 10 V insgesamt 100 Umdre­ hungen auflösbar wären. Im Diagramm in Fig. 2 ist die unter 45° einge­ zeichnete Linie die Ideallinie für ein fehlerfreies Potentiometer 4. Die dazu benachbart verlaufende, gekrümmte Linie soll ein fehlerbehaftetes Potentio­ meter 4 darstellen. Die beiden parallelen Linien beidseitig zur 45°-Ideallinie stellen die Grenzen des maximal zulässigen Toleranzbereiches für die Sum­ me aller Fehler (Potentiometer, Getriebespiel, Abtastfehler etc.) dar.

Da somit jeder Umdrehungszahl der Codescheibe 2 ein bestimmter Span­ nungswert bzw. Spannungswertbereich des Potentiometers 4 zugeordnet ist, stellt die Kombination aus Codescheibe 2, Untersetzungsgetriebe 3, Poten­ tiometer 4 sowie Analog-Digital-Umsetzer 6 eine Möglichkeit zur Winkelmes­ sung dar. Dies stellt jedoch ein Basissystem dar, bei der aufgrund des Ge­ triebespiels sowie der Nichtlinearitäten und Fehler des Potentiometers 4 an die Meßgenauigkeit Abstriche gemacht werden müssen.

Eine Weiterbildung dieses Basissystems sieht daher die zusätzliche Auswer­ teschaltung 7 vor, die die zuvor beschriebenen Fehler unwirksam macht. Hierbei ist ein wesentlicher Gedanke, daß die Auswerteschaltung 7 nicht nur von dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers 6 abhängig ist, sondern auch von der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2 gesteuert wird. Diese Spur S1 löst eine Umdrehung der Codescheibe 2 lediglich in zwei Schritte auf, von denen der erste von 0° bis 180° (Teilabschnitt T) und der zweite von 180° bis 360° (Teilabschnitt T′) geht. Dies ist in Fig. 2 durch die verschiedenen Schraffuren angedeutet. Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung wird für Erklärungszwecke das Aus­ gangssignal des Potentiometers 4 vor der Digitalisierung, d. h. im Analogbe­ reich betrachtet, während aber erfindungsgemäß das Ausgangssignal nach dessen Digitalisierung ausgewertet wird.

Möchte man im Analogbereich die Zahl der Umdrehungen der Codescheibe 2 bestimmen ohne Rücksicht auf die dazugehörende Position der Codescheibe 2, dann würde es genügen, wenn man jeweils in der Mitte des Teilabschnittes T einen Analogwert definieren würde, beispielsweise 25 mV, 125 mV, 225 mV etc., der den Umdrehungen 0, 1, 2, 3 etc. zugeordnet wäre.

Nach dieser Grundüberlegung kann man jetzt den nächsten Schritt tun und sagen, daß man lediglich zwei aufeinanderfolgende Umdrehungen von­ einander unterscheiden möchte. Dann würde sich an Stelle dieser diskreten Spannungswerte jeweils ein Spannungsbereich ergeben, der der nullten Umdrehung, der ersten Umdrehung, der zweiten Umdrehung, der dritten Umdrehung etc. zugeordnet wäre. Dieser Spannungsbereich könnte so groß sein, daß er über den jeweiligen Teilabschnitt T bzw. T′ beidseits hinaus­ geht und noch die Hälfte des angrenzenden Teilabschnittes T′ bzw. T um­ faßt. Man bekommt dann Toleranzbereiche, dessen Grenzen durch die ent­ sprechenden Kurvenzüge zu den Teilabschnitten T und T′ gekennzeichnet sind.

Betrachtet man nun das Toleranzfeld für den Teilabschnitt T nach der 1. Umdrehung, dann erhält man das (obere) schraffiert eingezeichnete Feld, das den Winkelbereich 270° bis 630° und den Spannungsbereich 75 mV bis 175 mV umfaßt. Entsprechendes läßt sich für die Teilabschnitte T′ der Co­ descheibe 2 überlegen. Die Schwerpunkte der zugeordneten Spannungen liegen bei 75 mV, 175 mV, 275 mV etc. Betrachtet man das Toleranzfeld für die nullte Umdrehung, welches (unten) schraffiert angedeutet ist, umfaßt es einen Winkelbereich von 90° bis 450° und einen Spannungsbereich von 25 mV bis 125 mV. Man kann nun jeder dieser Flächen (bedingt durch die Wahl der Maßstäbe sind es im Beispiel Quadrate) eine bestimmte Wertigkeit zuordnen. Das erste, schraffierte Toleranzfeld des Teilabschnittes T′ hat die Wertigkeit 0 und gehört zur nullten Umdrehung, das anschließende schraffierte Toleranzfeld des Teilabschnitts T würde die Wertigkeit 1 haben und zur ersten Umdrehung gehören, das nach rechts folgende Toleranzfeld des Teilabschnitts T′ ebenfalls zur ersten Umdrehung gehören und wieder die Wertigkeit 1 haben, das dann folgende Toleranzfeld des Teilabschnitts T zur zweiten Umdrehung gehören und die Wertigkeit 2 haben etc. Die Schnittmengen aus benachbarten Toleranzfeldern der Teilabschnitte T und T′ können nun entweder zu zwei unterschiedlichen Umdrehungen gehören (wie dies im Schaubild in Fig. 2 bei den beiden schraffierten Toleranzfel­ dern der Fall ist) oder aber auch zur selben Umdrehung. Der entscheiden­ de Gedanke der Erfindung besteht nun darin, daß in Abhängigkeit von der Umschaltung vom Teilabschnitt T′ auf den Teilabschnitt T am Ende einer vollzogenen Umdrehung der Codescheibe 2 synchron eine Umschaltung der Wertigkeit der zugehörigen Spannungswerte erfolgt.

Bewegt sich in dem Ausführungsbeispiel die Codescheibe 2 von der Nullpo­ sition in Richtung auf das erste Toleranzfeld zum Teilabschnitt T′ zu, dann bedeuten alle Spannungswerte zwischen 25 mV und 125 mV, daß sich die Codescheibe 2 noch innerhalb der ersten Umdrehung befindet. Schaltet nun nach einer vollen Umdrehung die Codescheibe 2 auf das erste Toleranzfeld zum Teilabschnitt T um, dann gilt plötzlich, daß bereits eine Spannung zwischen 75 mV und 175 mV den Vollzug einer vollen Umdrehung bedeutet. Hat die gekrümmte Kurve zu diesem Zeitpunkt beispielsweise einen Wert von 120 mV, dann bedeutet dies, solange noch das erste Toleranzfeld zum Teilabschnitt T′ wirksam ist, Umdrehung 0 und sobald das zweite Toleranz­ feld zum Teilabschnitt T wirksam wird, die Umdrehung 1. Somit wechselt absolut synchron mit dem Wechsel der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2 auch die Wertigkeit des Ausgangssignals der Auswerteschaltung 7.

Das Grundprinzip und der Grundgedanke der Erfindung soll nochmals mit Hilfe folgender Tabelle erläutert werden, wobei die Toleranzfelder für die beiden Wertigkeiten der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2 angegeben sind und wobei angenommen ist, daß einer Umdrehung der Codescheibe 2 eine Spannungsänderung am Potentiometerabgriff von 100 mV entspricht:

Die Codescheibe 2 weist in ihrer gröbsten Spur S1 zwei Teilabschnitte T und T′ auf. Im Idealfall käme dem Teilabschnitt T bei 0 abgeschlossenen Umdrehungen ein Spannungsbereich von 0 bis 50 mV, dem Teilabschnitt T′ bei 0 abgeschlossenen Umdrehungen ein Spannungsbereich von 50 mV bis 100 mV, anschließend wieder dem Teilabschnitt T bei 1 Umdrehung ein Spannungsbereich von 100 mV bis 150 mV, dem sich daran anschließenden Teilabschnitt T′ bei 1 abgeschlossenen Umdrehung ein Spannungsbereich von 150 mV bis 200 mV, dem Teilabschnitt T bei 2 abgeschlossenen Umdrehungen ein Spannungsbereich von 200 mV bis 250 mV etc. zu. Man definiert aber entsprechend der Anzahl der abgeschlossenen Umdrehungen sowie entsprechend der Teilabschnitte T oder T′ maximal zulässige Spannungsbereiche (Toleranzfelder), die jeweils 25 mV beidseitig weiter reichen als die Ideal-Spannungsbereiche bei fehlerfreiem Potentiometer 4 sowie bei nicht vorhandenem Getriebespiel. Die diesbezüglichen maximal zulässigen Spannungsbereiche sind in der Tabelle ganz rechts aufgeführt. Entspre­ chend sind sie in der Vertikalachse des Schaubildes in Fig. 2 dargestellt.

Die Auswerteschaltung 7 weiß, daß beim Übergang vom Teilabschnitt T′ in den Teilabschnitt T eine volle, abgeschlossene Umdrehung stattgefunden hat und es wird mittels der Abtasteinrichtung ein entsprechendes Signal erzeugt. Synchron hierzu liegt der entsprechende Spannungswert am Po­ tentiometer 4 an. Da sich die maximal zulässigen Spannungsbereiche einan­ der benachbarter Teilabschnitte T, T′ überlappen, gehört auf jeden Fall der gemessene und in digitaler Form vorliegende Spannungswert gleichzei­ tig zwei benachbarten Toleranzfeldern der Teilabschnitte T, T′ an. Im Dia­ gramm in Fig. 2 seien dies nach der ersten abgeschlossenen Umdrehung beispielsweise 120 mV. Dieser Spannungswert von 120 mV liegt dabei im Überlappungsbereich zwischen dem Toleranzbereich zum (letzten) Teilab­ schnitt T′ der nullten Umdrehung und dem Toleranzbereich zum (ersten) Teilabschnitt T der 1. abgeschlossenen Umdrehung, so daß die Auswerte­ schaltung 7 weiß, wann eine Umdrehung abgeschlossen worden ist, im Bei­ spiel die 1. Umdrehung. Bei einem Wechsel vom Teilabschnitt T′ zum Teilab­ schnitt T der nachfolgenden neuen Umdrehung sucht sich somit die Aus­ werteschaltung 7 aus den abgespeicherten oder errechneten Spannungsbe­ reichen die entsprechende Umdrehungszahl heraus. Umgekehrt wird bei einem Wechsel vom Teilabschnitt T zum Teilabschnitt T′ mit dem entspre­ chenden Signal an die Auswerteschaltung 7 von dieser keine abgeschlosse­ ne Umdrehung identifiziert, da erst die Hälfte der Umdrehung vollzogen ist.

Anhand Fig. 3 soll nunmehr noch in einer alternativen Ausführungsform eine Möglichkeit beschrieben werden, mittels der das vorhandene Toleranz­ band für die Fehlersumme besser ausgenutzt werden kann, indem der Li­ nearitätsfehler des Potentiometers 4 weitgehend eliminiert wird. Die Toler­ anzfelder werden dabei in Abhängigkeit von der realen Potentiometerkurve definiert, wie sie in Fig. 3 als vom Nullpunkt ausgehende, gekrümmte Kur­ ve angedeutet ist. Das Schema, welches sich für die Lage der Toleranzfel­ der darauf aufbaut mit der nichtlinearen Potentiometerkurve und den ebenfalls nichtlinearen oberen und unteren Toleranzkurven für die Toler­ anzgrenzen, welche die Grenzen für den praktisch nutzbaren Toleranzbe­ reich für die Fehlersumme (insbesondere für das Getriebespiel) kennzeich­ nen, soll nachfolgend anhand dieser Fig. 3 beschrieben werden:

Zunächst werden Stützstellen ST1 bis ST7 auf der realen Kurve des Poten­ tiometers 4 bestimmt. In der Realität schließen sich dabei an die letzte Stützstelle ST7 noch weitere Stützstellen entsprechend der Anzahl der Um­ drehungen an. Im vorliegenden Beispiel wurden die Stützstellen ST1 bis ST7 beginnend bei 90° jeweils im Abstand von 180° gemessen. Damit liegen die Stützstellen ST1 bis ST7 jeweils in der Mitte des Teilabschnittes T, T′ der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2. Die Bestimmung der zulässigen Toleranzfelder um jede Stützstelle ST1 bis ST7 herum erfolgt wiederum in der Weise, daß zunächst einmal die beiden unterschiedlich schraffierten Be­ reiche in der bereits beschriebenen Weise definiert werden, indem die Grenzen für den Winkel alpha jeweils in der Mitte des benachbarten Toler­ anzfeldes liegen und die Ordinatenwerte durch den jeweils dort gemesse­ nen Stützwert definiert sind. So sind die Grenzen für das Toleranzfeld des Teilabschnittes T′ der 0. Umdrehung einmal durch die Winkelwerte 90° und 450° und zum anderen durch die Ordinatenwerte ST1 und ST3 gegeben. Das nach der erfolgten 1. Umdrehung folgende Toleranzfeld zum Teilab­ schnitt T ist begrenzt durch die Winkelwerte 270° bis 630° sowie durch die Ordinatenwerte ST2 und ST4 als Unter- und Obergrenze. Die Bestimmung der Toleranzfelder wird zu höheren Winkelwerten hin entsprechend fortge­ setzt.

Die beidseits der Potentiometerkurve eingezeichneten Toleranzgrenzen stel­ len den Bereich dar, in dem der maximale Fehler in der Praxis liegen darf. Die Toleranzgrenzkurven bestehen dabei aus einzelnen Geradenstücken. Die Berechnung der Endpunkte für diese einzelnen Geradenstücke, die die To­ leranzfehler begrenzen, wird so vorgenommen, daß Parallelen zur Winkel­ achse in den Stützstellen ST1, ST2 etc. mit Parallelen zur Spannungsachse in den Winkelwerten 180°, 360°, 540° etc. zum Schnitt gebracht werden. Diese Winkelwerte entsprechen jeweils einem Wechsel der Wertigkeit in der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2. Die entsprechenden Schnittpunkte sowohl oberhalb als auch unterhalb der Potentiometerkurve werden zu dem eingezeichneten Kurvenzug verbunden. Theoretisch wäre ein noch größerer Toleranzbereich möglich, der aber in der Praxis kaum nutzbar ist.

Dieses Prinzip gestattet eine wesentliche Erweiterung des Toleranzbereiches (insbesondere für das Getriebespiel) und macht somit entweder bei gleich­ bleibenden Fehlern eine Steigerung der Auflösung oder umgekehrt bei gleichbleibender Auflösung eine Erhöhung der zulässigen Fehler möglich, ohne die Genauigkeit der Gesamtauswertung zu beeinträchtigen.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren ist nicht auf Potentiometer 4 als Ana­ logwertgeber beschränkt, sondern es können auch beispielsweise kapazitive oder induktive Meßwertgeber verwendet werden, beispielsweise Drehkon­ densatoren, Tauchspulsysteme, Differentialtransformatoren etc.

Als Auswerteschaltung 7 kommen nicht nur Mikroprozessoren oder Mikro­ controller in Frage, sondern auch programmierbare Logikschaltungen in Verbindung mit Speichern und andere Verknüpfungseinrichtungen. Bei der Verwendung eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors kann dort neben der eigentlichen Signalauswertung auch die Analog-Digital-Umsetzung erfol­ gen.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Meßverfahren nicht auf Winkelco­ dierer beschränkt, bei denen nur eine einzige Codescheibe 2 vorhanden ist, sondern es kann auch bei mehrstufigen optoelektronischen (oder kapa­ zitiven oder resistiven) Winkelcodierern als Ersatz für eine oder zwei der letzten Stufen eingesetzt werden.

Gegenüber den herkömmlichen Winkelcodierern mit beispielsweise photoelek­ trischer Abtastung erlaubt das erfindungsgemäße Meßverfahren eine erheb­ liche Kostenreduktion und auch Volumenreduktion, da auf aufwendige Ab­ tasteinrichtungen verzichtet werden kann.

Bezugszeichenliste

 1 Welle
 2 Codescheibe
 3 Untersetzungsgetriebe
 4 Potentiometer
 5 Anpaßverstärker
 6 Analog-Digital-Umsetzer
 7 Auswerteschaltung
 8 Ausgangsverstärker

L Leitungszweig

S1 Spur
S2 Spur
S3 Spur
S4 Spur

ST1 Stützstelle
ST2 Stützstelle
ST3 Stützstelle
ST4 Stützstelle
ST5 Stützstelle
ST6 Stützstelle
ST7 Stützstelle
T Teilabschnitt
T′ Teilabschnitt

Claims (12)

1. Verfahren zum Messen von Winkeln unter Verwendung wenigstens eines Winkelcodierers, bei dem Bereiche von konzentrischen Spuren (S1 bis S4) eines Drehelements (Codescheibe 2) mit in Abhängigkeit von der Winkelstellung wechselnden physikalischen Eigenschaften abgetastet werden und das Meßergebnis durch eine Auswerteschaltung (7) digital in codierter Form ausgegeben wird, wobei mehrere Drehelemente (Codescheiben 2) jeweils unter Zwischenanordnung eines Untersetzungsgetriebes (3) zur Ermittlung der Anzahl der Umdrehungen des vorgeschalteten Drehelements (Codescheibe 2) hintereinandergeschaltet sein können, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehelement (Codescheibe 2) oder - bei der Verwendung von mehreren Drehelementen (Codescheiben 2) - dem letzten Drehelement (Codescheibe 2) gegebenenfalls unter Zwischenanordnung eines Unter­ setzungsgetriebes (3) ein Meßwertgeber (Potentiometer 4) zur Erzeu­ gung eines Meßwertes in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Ge­ samtwinkelweg des Drehelements (Codescheibe 2) nachgeordnet ist, wo­ bei bestimmten, vorgegebenen Meßwerten oder Meßwertbereichen in der nachgeordneten Auswerteschaltung (7) die zugehörige Umdre­ hungszahl des Drehelements (Codescheibe 2) zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ wertgeber (Potentiometer 4) ein Analogwertgeber ist, wobei die Ana­ logwerte zunächst in einem Analog-Digital-Umsetzer (6) digitalisiert und die so erzeugten Digitalwerte der Auswerteschaltung (7) aufgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Analog­ wertgeber Potentiometer (4) oder kapazitive oder induktive Meßwert­ geber wie beispielsweise Drehkondensatoren, Tauchspulsysteme, Diffe­ rentialtransformatoren verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteschaltung (7) Mikroprozessoren, Mikrocontroller oder programmierbare Logikschaltungen mit Speichern verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers außer der eigentlichen Signalauswertung auch die Analog-Digital-Umsetzung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer bestimmten Spur (S1) des Drehelements (Codescheibe 2) dem letzten Teilabschnitt (T′) einer bestimmten physikalischen Eigen­ schaft vor dem Abschluß einer vollen Umdrehung sowie dem ersten Teilabschnitt (T) der sich daran anschließenden gewechselten physika­ lischen Eigenschaft bei Beginn einer neuen Umdrehung jeweils dem zugehörigen Soll-Meßwertbereich ein Toleranz-Meßwertbereich zur De­ finierung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Meßwertgebers (Potentiometer 4) zugeordnet wird, wobei sich die Toleranz-Meßwertbe­ reiche dieser beiden aneinandergrenzenden Teilabschnitte (T′, T) überlappen, und daß das bei einem Wechsel der physikalischen Eigen­ schaft der bestimmten Spur (S1) anliegende Signal in der Weise als Signal für den Abschluß einer vollen Umdrehung des Drehelements (Codescheibe 2) verwendet wird, daß der synchron anliegende Meßwert des Meßwertgebers (Potentiometer 4) im Überlappungsbereich der To­ leranz-Meßwertbereiche zwischen dem letzten Teilabschnitt (T′) der noch alten Umdrehung und dem ersten Teilabschnitt (T) der neuen Umdrehung richtig der jeweiligen Umdrehung zugeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definie­ rung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Meßwertgebers (Potentiometer 4) die Meßwertgeberkurve an definierten Stützstellen ausgemessen wird und die Stützstellen zu einem Polygonzug linear miteinander verbunden werden und daß anschließend der Polygonzug in einen weitgehend linearen Verlauf umgerechnet wird und schließlich die Toleranzgrenzen festgelegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definie­ rung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Meßwertgebers (Potentiometer 4) auf der realen Meßwertgeberkurve Stützstellen (ST1 bis ST7) definiert werden, welche die Toleranz-Meßwertbereiche defi­ nieren.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Spur (S1) für die Ermittlung der Umdrehungszahl die gröbste Spur (S1) des Drehelements (Codescheibe 2) verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gröbste Spur (S1) insgesamt zwei Teilabschnitte (T, T′) aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die den aufeinanderfolgenden Umdrehungen zugeordneten Toleranz- Meßwertbereiche eines bestimmten Teilabschnittes (T bzw. T′) nahtlos aneinander reihen.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Toleranz-Meßwertbereiches in der Mitte des zugehörigen Soll-Meßwertbereiches liegt.