-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Meßsysteme allgemein und insbesondere
ein Verfahren zur präzisen
Messung einer Winkelposition eines drehbaren Elements.
-
Es
ist bekannt, Drehencoder zu verwenden, um die Drehung einer Welle
in periodische elektrische Signale umzuwandeln. Diese Signale werden dann
verarbeitet, um eine Positionsinformation für eine Anzeige oder als Eingabe
in Steuersysteme zu erhalten. Typischerweise erzeugen Drehencoder
die elektrischen Signale durch photoelektrisches Abtasten einer
skalierten Scheibe.
-
Bei
Hochpräzisionsanwendungen,
das heißt, wenn
eine Winkelauflösung
von ± 1
oder 2 Bogensekunden oder weniger notwendig ist, wird die Verwendung
von Drehencodern problematisch. Bei solchen Anwendungen werden skalierte
Scheiben mit 36.000 Linien oder mehr verwendet, was einen Häufungsfehler
von einigen Bogensekunden ergibt. Ein Beispiel eines derartigen
Systems, welches zusätzliche Referenzmarkierungen
verwendet, um die Genauigkeit zu verbessern, ist in der US-PS 4,477,189
von Ernst beschrieben.
-
Hochpräzisionsencoder
sind für
gewöhnlich ungeeignet
bei der Verwendung zur Kalibrierung vorhandener Drehtische, da die
gesamte Encoderanordnung aus einem komplexen Aufbau von extrem hochgenauen
Bauteilen besteht, welche in eine steife Struktur eingebaut sind.
Diese extrem hochpräzisen Bauteile
sind auch äußerst teuer.
-
Die
Kalibrierung von hochgenauen Drehplattformen oder "Drehindextischen" wird typischerweise
unter Verwendung eines optischen Geräts, beispielsweise eines Theodoliten
oder eines Polygon-Kollimators, durchgeführt. Die Verwendung einer solchen
Vorrichtung ist äußerst langsam
und macht üblicherweise
zwischen 8 und 16 Stunden für
Einrichtung und Kalibrierung notwendig.
-
Um
die Kalibrierzeit zu verringern, wurde ein automatisiertes Kalibriersystem
basierend auf einer Winkelinterferometrie von Laserlicht entwickelt.
Ein solches System, wie es in der US-PS 5,237,390 von Chaney beschrieben
ist, ist im Handel als RX10-System von Renishaw plc, U.K. erhältlich.
Jedoch benötigt
auch dieses sehr teure System typischerweise 5-6 Stunden einschließlich der
Einrichtzeit.
-
Es
besteht daher eine Notwendigkeit für ein anderes Verfahren zur
präzisen
Messung der Winkelposition eines drehbaren Elements, beispielsweise eines
Drehtisches. Es wäre
auch besonders vorteilhaft, eine Vorrichtung zu haben, welche preiswerte Bauteile
mit relativ niedriger Auflösung
verwendet, um präzise
Messungen der Winkelposition durchzuführen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer präzisen Winkelposition
eines Elements, welches relativ zu einer Basis drehbar ist.
-
Die
Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung
sind in der US-A-3,702,471 (Shepherd Alexander Turnbull et al) beschrieben.
-
Gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Durchführung einer
präzisen
Messung der Winkelposition eines Elements geschaffen, welches relativ
zu einer Basis drehbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
aufweist: (a) Erzeugen eines ersten Signals in Relation zu einer
Relativbewegung zwischen der Basis und einem sich drehenden Bauteil,
wobei das erste Signal annähernd
periodisch ist; (b) Erzeugen eines zweiten Signals in Relation zu
einer Relativbewegung zwischen dem Element und dem sich drehenden
Bauteil, wobei das zweite Signal annähernd periodisch ist; und gekennzeichnet
ist durch (c) Ermitteln einer Mehrzahl von Datenpaaren (Ti, ti) aus den ersten
und zweiten Signalen, wobei Ti die Periode
eines Zyklus von dem ersten oder dem zweiten Signal ist und ti die entsprechende Phasenverzögerung zwischen
den ersten und zweiten Signalen ist; (d) Verarbeiten der Mehrzahl
von Datenpaaren, um eine präzise
repräsentative
Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Signalen zu identifizieren;
und (e) Berechnen einer Information betreffend die präzise Winkelposition
des drehbaren Elements relativ zu der Basis aus der repräsentativen
Phasendifferenz.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das erste Signal
durch Erfassen von Licht erzeugt, welches durch eine Kombination
einer der Basis zugeordneten unterteilten Skala und einer skalierten
Spur übertragen
wird, welche dem sich drehenden Bauteil zugeordnet ist.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das zweite Signal
durch Erfassen von Licht erzeugt, welches durch eine Kombination
einer ersten, dem Element zugeordneten skalierten Spur und einer
zweiten, dem sich drehenden Bauteil zugeordneten skalierten Spur übertragen wird.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung beinhalten die ersten
und zweiten Signale für
jede Drehung des sich drehenden Bauteils ungefähr 3600 Zyklen.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält der Schritt des Erhaltens einer
Mehrzahl von Datenpaaren (Ti, ti)
den Erhalt des Datenpaares für
aufeinanderfolgende Zyklen des ersten oder zweiten Signals für N Zyklen,
wobei N gleich der Anzahl von Zyklen ist, welche bei jeder Drehung
des sich drehenden Bauteils erzeugt werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
Die
Erfindung wird nachfolgend exemplarisch unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung beschrieben, wobei:
-
1 eine
seitliche Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Messung einer
präzisen
Winkelposition eines relativ zu einer Basis drehbaren Elements ist,
aufgebaut und betreibbar gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine
schematische perspektivische Ansicht ist, welche die Ausrichtung
der Bauteile der Vorrichtung von 1 zeigt;
-
3a eine
schematische Draufsicht auf einen Teil einer Meßscheibe und ein optisches
Gitter der Vorrichtung von 1 ist;
-
3b eine
schematische Draufsicht auf einen Teil einer sich drehenden Scheibe
der Vorrichtung von 1 ist;
-
4 eine
schematische Draufsicht ist, welche die sich drehende Scheibe von 3b der
Meßscheibe
und dem optischen Gitter von 3a überlagert
zeigt;
-
5 eine
Graphik ist, welche die Änderungen
von übertragener
Lichtintensität über die
Zeit hinweg für
ein Referenzsignal und ein Meßsignal
zeigt, welche durch photoelektrische Sensoren in der Vorrichtung
von 1 erzeugt werden;
-
6 ein
Blockdiagramm eines Prozessors zur Verwendung in der Vorrichtung
von 1 ist; und
-
7 ein
detailliertes Blockdiagramm eines Beispiels eines Timers zur Verwendung
im Prozessor von 6 ist.
-
BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Messung einer präzisen
Winkelposition eines relativ zu einer Basis drehbaren Elements.
-
Die
Grundsätze
und der Betrieb von Vorrichtungen und verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung lassen sich besser unter Bezugnahme auf die Zeichnung
und die beigefügte
Beschreibung verstehen.
-
Bezugnehmend
auf die Zeichnung, so zeigt 1 eine insgesamt
mit 10 bezeichnete Vorrichtung, welche gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung aufgebaut und betreibbar ist, um eine
präzise Winkelposition
einer Welle 12, die mit einem Drehtisch 13 verbunden
ist, relativ zu einer Basis 14 zu messen. 2 zeigt
schematisch die Ausrichtung bestimmter Bauteile der Vorrichtung 10.
-
Allgemein
gesagt, die Vorrichtung 10 weist eine sich drehende Scheibe 16 mit
einer ersten Spur 18 und einer zweiten Spur 20 auf.
Jede Spur 18 bzw. 20 ist aus sich abwechselnden
Linien hoher und niedriger Durchlässigkeit, typischerweise mit
einer sinusförmigen
Schwankung der spezifischen Durchlässigkeit, gebildet. Die sich
drehende Scheibe 16 wird fortlaufend um die Drehachse der
Welle 12 gedreht. Gegenüber
der ersten Spur 18 und parallel zur sich drehenden Scheibe 16 sind
zwei optische Gitter 22 ausgerichtet, von denen jedes sich
abwechselnde Linien hoher und niedriger Durchlässigkeit hat. Die Gitter 22 sind
relativ zur Basis 14 festgelegt und befinden sich typischerweise
an einander gegenüberliegenden Seiten
der Drehachse der Welle 12. Eine an der Welle 12 angebrachte
Meßscheibe 24 ist
koaxial zur sich drehenden Scheibe 16 ausgerichtet. Die
Meßscheibe 24 weist
eine Spur 26 von sich abwechselnden Linien hoher und niedriger
Durchlässigkeit
auf, welche gegenüber
der zweiten Spur 20 ausgerichtet ist.
-
Die
Vorrichtung 10 weist auch photoelektrische Sensoren 28 und 30 auf,
welche Signale entsprechend Änderungen
in der gemessenen spezifischen optischen Durchlässigkeit erzeugen. Die photoelektrischen
Sensoren 28 erzeugen ein Referenzsignal entsprechend Änderungen
der spezifischen optischen Durchlässigkeit durch eine Kombination
der ersten Spur 18 und des optischen Gitters 22.
Die photoelektrischen Sensoren 30 erzeugen ein Meßsignal
entsprechend Änderungen
der spezifischen optischen Durchlässigkeit durch eine Kombination
der zweiten Spur 20 und der Spur 26. Diese Signale
werden dann von einem Prozessor 32 verarbeitet, um Informationen
betreffend die präzise
Winkelposition der Welle 12 relativ zur Basis 14 zu
berechnen.
-
Es
sei festzuhalten, daß die
Anordnung der Vorrichtung 10 in Relation zur Welle 12 und
zur Basis 14 beliebig ist. Somit kann die Vorrichtung 10 problemlos
derart umgekehrt werden, daß die
Meßscheibe 24 an
der Basis 14 befestigt ist und die optischen Gitter 22 an
der Welle 12 angebracht sind, ohne daß die Funktionalität der Vorrich tung 10 geändert wird.
Auf ähnliche
Weise ist es, da nur die Relativdrehung zwischen der Welle 12 und
der Basis 14 vermessen wird, unerheblich, ob die Vorrichtung 10 zur
Messung der Drehung der Welle 12 relativ zur Basis 14 oder
der Basis 14 relativ zur Welle 12 angeordnet ist.
-
Die
Vorrichtung 10 liefert eine wesentliche Verbesserung über Kalibriersysteme
nach dem Stand der Technik, indem eine hochpräzise Winkelmessung von 360
Positionen innerhalb einer Gesamtzeit von 20-30 Minuten einschließlich der
Einrichtzeit ermöglicht
wird. Die Vorrichtung 10 verwendet relativ geringpräzise Bauteile,
so daß sich
gegenüber
Systemen nach dem Stand der Technik erhebliche Kosteneinsparungen
ergeben.
-
Was
die genaueren Merkmale der Vorrichtung 10 betrifft, so
sind die sich drehende Scheibe 16 und die Meßscheibe 24 typischerweise
aus ähnlichen
Materialien wie denjenigen gefertigt, welche für optische Scheiben in herkömmlichen
Encodern verwendet werden, und sie werden auch durch ähnliche Techniken
erzeugt. Typischerweise hat die sich drehende Scheibe 16 einen
Durchmesser von ungefähr 50
mm. Die sich drehende Scheibe 16 und die Meßscheibe 24 sind
bevorzugt ausreichend nahe aneinander angeordnet, um eine merkliche
Durchlassung von gebeugtem Licht zu verhindern. Typischerweise beträgt der Abstand
zwischen ihnen größenordnungsmäßig 0,1
mm.
-
Die
erste Spur 18 und die zweite Spur 20 der sich
drehenden Scheibe 16 haben gleiche Anzahl von radialen
Linien mit einem konstanten Winkelabstand. Die Linien der Spuren 18 und 20 sind
zueinander in Phase, das heißt,
jede Linie der ersten Spur 18 ist kollinear mit einer Linie
der zweiten Spur 20. Tatsächlich können abhängig von Gestaltungsüberlegungen
die Spuren 18 und 20 als einzelne breite Spur
ausgeführt
werden.
-
Die
erste Spur 18 und die zweite Spur 20 haben typischerweise
zwischen ungefähr
1000 und 10.000 Linien. Bevorzugt ist ein Wert von ungefähr 3600
Linien, d. h. ein Winkelabstand von 0,1°, ausreichend, um eine sehr
hohe Genauigkeit zu schaffen, ohne daß besonders teure Herstellungstechniken notwendig
sind. Die Linien sind bevorzugt opake oder annähernd opake Linien auf einem
relativ transparenten Hintergrund, und sie sind bevorzugt ausreichend
breit, um ungefähr
50 % der funktionellen Fläche
einer jeden Spur abzudecken. Es ist jedoch jegliche Anordnung von
gleichförmig
beabstandeten, sich radial erstreckenden Bereichen relativ hoher Durchlässigkeit,
welche sich mit gleichmäßig beabstandeten,
sich radial erstreckenden Bereichen relativ niedriger Durchlässigkeit
abwechseln, denkbar. Somit werden die verschiedenen Möglichkeiten
für das
Muster der Bereiche in den Spuren 18 und 20 allgemein
als sich abwechselnde Linien hoher und niedriger Durchlässigkeit
bezeichnet.
-
Die
sich drehende Scheibe 16 ist an einer Drehnabe 34 befestigt,
welche fortlaufend über
eine flexible Kupplung 35 von einem Motor 36 angetrieben wird.
Der Motor 36 ist bevorzugt von einem Typ, der keine merkliche
Vibration erzeugt. Die Kupplung 35 verhindert, daß eine leichte
Exzentrizität
vom Motor 36 die Ausrichtung der sich drehenden Scheibe 16 beeinflußt. Die
Drehzahl des Motors 36 ist nicht kritisch, sollte jedoch
merklich größer als
die zu erwartende Drehzahl des Drehtisches 13 sein. Der
Motor 36 ist an einem Gehäuse 38 angebracht,
welches für die
Vorrichtung 10 eine steife Struktur und Schutzabdeckung
bildet.
-
Zum
Zweck einer Kalibrierung eines existierenden Drehtisches 13 muß die Basis 14 an
einer gewissen steifen Struktur befestigt werden, welche eine feste
Beziehung zur Basis des Drehtisches 13 liefert. In der
hier gezeigten Umsetzung ist eine Seite des Gehäuses 38 an der Basis 14 über eine
Kugelgelenkverbindung 40 befestigt, und die Welle 12 ist über Lager 42 an
der gegenüberliegenden
Seite des Gehäuses 38 drehbar
angeordnet. Diese Ausgestaltung erlaubt die bequeme Einnahme unterschiedlicher
Positionen oder Ausrichtungen der Basis 14 relativ zu dem
Drehtisch 13, ohne den Betrieb der Vorrichtung 10 zu
stören.
Eine zusätzliche
flexible Kupplung 37 ist zwischen der Welle 12 und
dem Drehtisch 13 angeordnet, so daß die Vorrichtung weniger empfindlich gegenüber einer
exzentrischen Anordnung der Welle 12 relativ zum Drehtisch 13 wird.
-
Die
Meßscheibe 24 ist
nahe dem Ende der Welle 12 parallel zur sich drehenden
Scheibe 16 und in einer gemeinsamen Ebene mit den optischen
Gittern 22 angeordnet. Die Meßscheibe 24 ist im
wesentlichen äquivalent
zur sich drehenden Scheibe 16, jedoch verkleinert, so daß ihr Radius
zwischen demjenigen der ersten Spur 18 und der zweiten
Spur 20 liegt. Die Spur 26 enthält eine
Anzahl von Linien gleich derjenigen der Spuren 18 und 20.
Die Linien der Spur 26 sind bevorzugt opake oder annähernd opake
Linien auf einem relativ transparenten Hintergrund und sind bevorzugt
ausreichend breit, um ungefähr
50 % der Betriebsfläche
der Spur 26 abzudecken.
-
Eines
der optischen Gitter 22 und jeweils einer der photoelektrischen
Sensoren 28 und 30 sind typischerweise in einer
U-förmigen
Halterung 46 festgelegt, die an der Innenseite des Gehäuses 38 so
angebracht ist, daß sie
sich über
die Flächen
der sich drehenden Scheibe 16 und der Meßscheibe 24 erstreckt.
In einer Grundausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine einzelne U-förmige Halterung 46 mit
einem einzelnen Satz eines der optischen Gitter 22 und
jeweils einem der photoelektrischen Sensoren 28 und 30 ausreichend.
Bevorzugt sind jedoch zwei derartige Anordnungen einander gegenüberliegend,
d. h. bezüglich
der Drehachse der Welle 12 um 180° zueinander versetzt, vorgesehen.
Das zweite Paar von photoelektrischen Sensoren ist mit 29 bzw. 31 bezeichnet.
Die Ausgänge
der beiden Anordnungen werden vom Prozessor 32 verarbeitet,
um die Effekte von systematischen Fehlern und Wellenexzentrizitäten zu verringern.
Details dieser Verarbeitung werden nachfolgend beschrieben.
-
Die
optischen Gitter 22 sind typischerweise äquivalent
zu einem schmalen Ausschnitt der ersten Spur 18 mit den
Linien in Ausrichtung auf die Drehachse der Welle 12, d.
h. "radial". Die Linien der
optischen Gitter 22 sind in dem gleichen Winkelabstand wie
die Linien der Spuren 18, 20 und 26 relativ
zur Drehachse der Welle 12 "im Winkelabstand". Da jedoch die Fläche der optischen Gitter 22 im
Vergleich zum Durchmesser der ersten Spur 18 relativ klein
ist, kann das benötigte
Muster adäquat
durch ein ähnliches
Gitter von gleichförmig
beabstandeten parallelen Linien angenähert werden.
-
Die
photoelektrischen Sensoren 28 und 30 beinhalten
jeweils einen Lichtemitter 48, beispielsweise eine Infrarot-LED
oder eine Lampe, und einen Lichtsensor 50 eines üblichen
Typs, beispielsweise eine Photodiode oder einen Phototransistor.
Ein einzelner Lichtemitter 48 kann für benachbarte photoelektrische
Sensoren 28 und 30 gemeinsam sein.
-
Die
beiden Teile des photoelektrischen Sensors 28 sind in fester
Ausrichtung zu dem optischen Gitter 22 und sind derart
ausgerichtet, daß ein
Lichtstrahl vom Lichtemitter 48 sowohl das optische Gitter 22 als
auch die erste Spur 18 durchläuft, bevor er den Lichtsensor 50 erreicht.
Der photoelektrische Sensor 28 erzeugt somit ein Ausgangssignal,
welches der spezifischen Durchlässigkeit
der Überlagerung
von optischem Gitter 22 und erster Spur 18 unter
bestimmten Umständen
entspricht und nachfolgend als "Referenzsignal" bezeichnet wird.
Wie nachfolgend erläutert
wird, ist dieses Referenzsignal ein oszillierendes Signal. Die Ausgangssignale
sind typischerweise annähernd
sinusförmig.
-
Die
beiden Teile des photoelektrischen Sensors 30 sind so ausgerichtet,
daß Licht
vom Lichtemitter 48 sowohl die zweite Spur 20 und
die Spur 26 der Meßscheibe 24 durchläuft, bevor
es den Lichtsensor 50 erreicht. Der photoelektrische Sensor 30 erzeugt
somit ein Ausgangssignal entsprechend der spezifischen Durchlässigkeit
einer Überlagerung
der Spur 26 und der zweiten Spur 20 unter bestimmten Umständen und
wird nachfolgend als "Meßsignal" bezeichnet. Dieses
Meßsignal
ist ebenfalls ein oszillierendes Signal, welches sich, wie nachfolgend
beschrieben wird, lediglich in der Phase von dem Referenzsignal
unterscheidet.
-
Die
Referenz- und Meßsignale
werden über elektrische
Verbindungen 52 an den Prozessor 32 übertragen.
Details des Prozessors 32 werden nachfolgend unter Bezug
auf die 6-7 noch beschrieben.
-
Was
die Arbeitsweise der Vorrichtung 10 betrifft, so wird diese
unter Bezugnahme auf die 3-5 beschrieben. 3a zeigt
schematisch einen Teil der Meßscheibe 24 mit
der Spur 26 und dem optischen Gitter 22. In diesem
Beispiel ist die Meßscheibe 24 in
einer derartigen Drehposition, daß die Linien der Spur 26 ungefähr um ein
Viertel des Winkelabstandes zwischen den Linien außer Fluchtung
mit den Linien des optischen Gitters 22 sind. 3b zeigt
schematisch einen Teil der sich drehenden Scheibe 16 mit
der ersten Spur 18 und der zweiten Spur 20, welche
hier so verbreitert sind, daß sie eine
einzelne breite Spur 54 bilden. In den beiden 3a und 3b sind
die Arbeitsbereiche der photoelektrischen Sensoren 28 und 30 gestrichelt
dargestellt.
-
4 zeigt
den Effekt der Überlagerung
der sich drehenden Scheibe 16 gemäß 3b über der Meßscheibe 24 und
dem optischen Gitter 22 gemäß 3a. Die
Drehung der sich drehenden Scheibe 16 bewirkt, daß die Linien
der Spuren 18 und 20 über die Linien des optischen
Gitters 22 und der Spur 26 laufen, so daß eine zyklische Änderung
des Überlappungsbetrags
von Linien niedriger Durchlässigkeit über den
Arbeitsbereichen der photoelektrischen Sensoren 28 und 30 erzeugt
wird. Dies wiederum erzeugt eine zyklische Änderung der von den photoelektrischen
Sensoren 28 und 30 gemessenen Durchlässigkeit,
was oszillierende Ausgangssignale erzeugt.
-
5 zeigt Änderungen
im Referenzsignal, welches das Bezugszeichen 56 hat und
vom photoelektrischen Sensor 28 erzeugt wird, und im Meßsignal,
welches das Bezugszeichen 58 hat und vom photoelektrischen
Sensor 30 erzeugt wird. Die werte entsprechend aufeinanderfolgenden
Positionen der sich drehenden Scheibe 16 sind mit den Großbuchstaben
A-D bezeichnet. Die Periode der gemessenen Oszillationen, beispielsweise
von Spitze zu Spitze, ist mit T bezeichnet. Die Zeitverzögerung des
Meßsignals 58 bezüglich des
Referenzsignals 56 ist mit Δt bezeichnet. Eine normalisierte
Phasenverschiebung Δϕ zwischen
den Signalen wird dann definiert durch: Δϕ =
2πΔt/T (1)
-
Man
erkennt ohne weiteres, daß die
Berechnung der normalisierten Phasenverschiebung Δϕ extrem
genau die Winkelposition der Meßscheibe 24 relativ
zum optischen Gitter 22 und somit der Welle 12 und
des Drehtisches 13 relativ zur Basis 14 innerhalb eines
gewissen Rotationsschrittes bestimmt. Algebraisch ausgedrückt, wenn
die Meßspur 26 insgesamt
N Linien hat, so daß der
Winkelschritt zwischen ihnen gegeben ist durch Δθ = 360°/N, läßt sich die Winkelposition θ des Drehtisches 13 relativ
zur Basis 14, gemessen von einer beliebigen Initialisierungsposition
aus, schreiben als: θ = nΔθ + ΔϕΔθ/2π, (2)wobei n eine
ganze Zahl ist. Mit anderen Worten, wenn beispielsweise die Spur 26 und
das optische Gitter mit Linien in einem Winkelabstand von Δθ = 0,1° (N = 3600
Linien pro Drehung) versehen sind, entspricht die Phasenverschiebung Δϕ/2π der Winkelposition
des Drehtisches 13 innerhalb eines 0,1°-Schritts, als Bruch ausgedrückt. Somit
wandelt die Vorrichtung 10 eine Drehung von 0,1° in eine Phasenverschiebung
von 2π,
so daß eine
viel höhere Winkelmeßgenauigkeit
erreicht wird als unter Verwendung von herkömmlichen Komponenten mit einer
gegebenen Winkelbeabstandung oder -auflösung.
-
Im
Prinzip ist eine einzelne Messung einer Phasenverschiebung ausreichend,
um die Winkelposition des Drehtisches 13 innerhalb eines
gegebenen Drehschritts zu bestimmen, und die einzig zusätzlich benötigte Information
ist eine Information niedriger Auflösung, um zu bestimmen, innerhalb
welchen Drehschritts der Drehtisch momentan liegt. Es ist jedoch
ein besonderes Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, daß eine
extrem genaue Messung der Winkelposition unter Verwendung von Bauteilen
niedriger Präzision
gemacht wird. Dies wird erreicht, indem große Datenmengen derart gesammelt
werden, daß systematische
Fehler minimiert werden, und dann eine statistische Analyse an den
Daten durchge führt
wird, wie nachfolgend unter Bezug auf die 6 und 7 beschrieben.
-
6 zeigt
einen möglichen
Aufbau des Prozessors 32. Der Prozessor 32 beinhaltet
typischerweise einen Signalprozessor 60, einen Modusschalter 62,
einen Nulldurchgangszähler 64,
einen Zeitgeber 66, einen Speicher 68 und einen
Mikroprozessor 70. Der Prozessor 32 weist typischerweise
auch eine Anzeige 72, einen Standard-Computerkommunikationsanschluß 74 und
eine Steuerkonsole oder eine andere Eingabevorrichtung 76 auf.
-
Der
Signalprozessor 60 empfängt
ein Paar von Referenz- und Meßsignalen über elektrische Verbindungen 52.
Der Signalprozessor 60 wandelt für gewöhnlich die oszillatorischen
Referenz- und Meßsignale
in eine Puls- oder Rechteckwellenform, um die Verwendung digitaler
Verarbeitungstechniken zu ermöglichen.
Aus Gründen
der Einfachheit werden diese Wellenformen insgesamt als "Pulssignal" bezeichnet. Vorrichtungen
und Verfahren zur Durchführung
dieser Signalverarbeitung sind im Stand der Technik allgemein bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform,
bei der photoelektrische Sensoranordnungen verwendet werden, empfängt der
Signalprozessor 60 ein Paar von Signalen von jeder Anordnung,
d. h. insgesamt vier Signale. In diesem Fall beinhaltet der Signalprozessor
auch ein Schaltsystem, welches unter Steuerung des Mikroprozessors 70 betreibbar
ist, um ein Paar von Eingängen
anzuwählen.
Typischerweise verbleibt ein Paar von Eingängen durchgehend im Gebrauch,
mit Ausnahme einer kurzen Zeitdauer, zu der die präzise Winkelmessung
gemacht wird, die nachfolgend beschrieben wird.
-
Vom
Signalprozessor 60 werden zwei Pulssignale entsprechend
einem Paar von Referenz- und Meßsignalen
dem Modusschalter 62 übertragen.
Der Modusschalter 62 setzt den Modus des Prozessors 32 abhängig davon,
ob der Zustand der Welle 12 drehend oder stillstehend ist.
Bevorzugt ist der Modusschalter 62 automatisch und arbeitet
durch Identifikation signifikanter Verschiebungen der Phase zwischen
den beiden Signalen. Die Empfindlichkeit des Modusschalters 62 wird
so gewählt,
daß Schwankungen,
welche innerhalb des Toleranzbereichs der verwendeten Bauteile liegen,
nicht beachtet werden. Wenn die Welle 12 sich dreht, schaltet
der Modusschalter 62, um die Signale an den Phasenverschiebungs-Nulldurchgangszähler 64 weiterzugeben,
um eine grobe Messung der Winkelposition durchzuführen. wenn
die Welle 12 stillsteht, schaltet der Modusschalter 62,
um die Signale an den Zeitgeber 66 durchzulassen, so daß eine präzise Messung
der Winkelposition erfolgt. Der Signalprozessor 60 kann auch
etwas unterschiedliche Signalformen für den Nulldurchgangszähler 64 und
den Zeitgeber 66 bereitstellen, jeweils geeignet zur jeweiligen
durchzuführenden
Verarbeitung. Alternativ kann der Modusschalter 62 durch
eine andere Art von Bewegungssensor oder einen einfachen Handschalter
ersetzt werden, der von einem Benutzer betätigt wird, wenn eine präzise Messung
notwendig ist.
-
Der
Phasenverschiebungs-Nulldurchgangszähler 64 hält einen
angesammelten Zählwert
von Nulldurchgängen
der Phasenverschiebung zwischen dem Referenzsignal und dem Meßsignal.
Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, indem einfach die Pulse
gezählt
werden, das heißt,
für jeden
Signalpuls, der ankommt, 1 einem Zähler hinzuzuaddieren, und für jeden
Referenzpuls 1 zu subtrahieren. Die dann erreichte Zahl
entspricht der Anzahl von Drehschritten, welche von der Welle 12 relativ
zur Basis 14 ausgehend von einer gegebenen Initialisierungsposition
durchlaufen wurden. Diese Zahl wird an den Mikroprozessor 70 weitergegeben,
um die Gesamtwinkelposition des Drehtisches 13 zu bestimmen.
-
Bezugnehmend
auf den Zeitgeber 66, so arbeitet dieser dahingehend, eine
Mehrzahl von Datenpaaren (Ti, ti)
aus den Pulssignalen entsprechend den Referenz- und Meßsignalen
zu ermitteln. Innerhalb eines jeden Datenpaars ist Ti die
Periode eines Zyklus des Referenzsignals, d. h. die Zeit zwischen benachbarten
Pulsen oder Wellenfronten, und ti ist die
entsprechende Phasenverzögerung
des Meßsignals
relativ zum Referenzsignal, d. h. die Zeit zwischen dem ersten der
benachbarten Pulse des Referenzsignals und dem Meßsignalpuls,
der diesem folgt.
-
Ein
Beispiel des Aufbaus für
den Zeitgeber 66 ist in 7 gezeigt.
Bei diesem Beispiel weist der Zeitgeber 66 einen Hochfrequenzzähler 78 auf,
der von einem Hochfrequenzgenerator 80 betrieben wird.
Typischerweise arbeitet der Generator 80 mit einer Frequenz
von einigen – zig
MHz, bevorzugt mit ungefähr
45 MHz. Der Zähler 78 ist
typischerweise ein Zwei-Byte-Zähler,
jedoch kann bei Bedarf auch ein größerer Zähler verwendet werden. Ein
erster Puffer 82 ist für
die Messung von ti vorgesehen, und ein zweiter
Puffer 84 ist für
die Messung von Ti vorgesehen.
-
Die
Ankunft eines Pulses vom Signal entsprechend dem Referenzsignal
bewirkt ein Schreiben des Werts vom Zähler 78 in den zweiten
Puffer 84 und danach, nach einer sehr kurzen Verzögerung aufgrund
eines Verzögerers 86,
ein Zurücksetzen des
Zählers 78.
Die Verzögerung
dient allein dem Zweck, daß das
Lesen des Zählers
ermöglicht
wird, bevor dieser zurückgesetzt
wird, und ist in der Größenordnung
einer Nanosekunde, so daß sich
keine meßbare
Auswirkung auf die Genauigkeit der Vorrichtung ergibt. Wenn ein
Puls vom Signal entsprechend dem Meßsignal ankommt, bewirkt dies
ein Schreiben des Werts vom Zähler 78 zum
ersten Puffer 82, so daß ti aufgezeichnet
wird, d. h, die Anzahl von Generatorzyklen entsprechend der Phasenverzögerung zwischen
dem Referenz- und dem Meßsignal.
Die Ankunft des nachfolgenden Referenzsignalpulses bewirkt das Schreiben
des entsprechenden Ti in den zweiten Puffer 84,
d. h. der Anzahl von Generatorzyklen entsprechend der Periode des
Referenzsignals, innerhalb der ti gemessen
wurde. Der Zähler 78 wird
dann zurückgesetzt,
um das nächste
Datenpaar (Ti+1, ti+1)
vorzubereiten, während
(Ti, ti) im Speicher 68 gespeichert
wird.
-
Der
Mikroprozessor 70 verarbeitet dann die im Speicher 68 gespeicherten
Datenpaare, um eine präzise
repräsentative
Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Meßsignal
zu identifizieren. Dies erfolgt typischerweise durch Berechnung
der normalisierten Phasendifferenz: Δϕi = 2πti/Ti und dann
durch Verwendung von statistischen Standardverfahren, um einen präzisen repräsentativen Wert
zu bestimmen. Dieser Wert kann ein einfacher Mittelwert sein oder
er kann durch komplexere Verfahren bestimmt werden. Insbesondere
ist es vorteilhaft, nach Bereichen von gemessenen Phasendifferenzen
zu suchen, welche einen Nulldurchgang überlappen. In einem solchen
Fall muß ein
Korrekturfaktor von ± 2π gewissen
Phasenmessungen hinzuaddiert werden, um einen einzelnen durchgängigen Datenbereich
zu bilden, bevor eine statistische Analyse durchgeführt wird.
Eine entsprechende Korrektur von ± 1 vom Zähler 64 kann notwendig
sein. Dies erlaubt eine genaue Messung in jeder Winkelposition über einen
durchgehenden Bereich von 360°.
-
Nebenbei
gesagt, es ist interessant, festzustellen, daß, da die interessierende Größe die normalisierte
oder relative Phasendifferenz ist, d. h. das Verhältnis von
ti zu Ti, die Periode
T der Oszillationen sich ändern
kann, ohne die Meßgenauigkeit
zu beeinflussen. Somit ist, wie oben erwähnt, weder die bestimmte Drehzahl
des Motors 36 noch ihre Konstanz kritisch.
-
Basierend
auf der präzisen
repräsentativen Phasendifferenz
zusammen mit dem Lesewert vom Nulldurchgangszähler 64 kann dann
der Mikroprozessor 70 eine einzigartig bestimmte und hochgenaue
Drehposition des Drehtisches 13 relativ zur Basis 14 berechnen.
Diese Information kann auf der Anzeige 72 angezeigt und/oder
direkt einem anderen Gerät über den
Kommunikationsanschluß oder
das Interface 74 übertragen
werden. Die Steuerkonsole 76 kann verwendet werden, um
den Betriebsmodus der Vorrichtung insgesamt, das Anzeigeformat oder irgendwelche
anderen Parameter des Systems zu steuern, welche benutzerdefiniert
sein können.
-
Was
den Betrieb des Prozessors 32 betrifft, der weiter oben
erwähnt
wurde, so verbleibt der Signalprozessor üblicherweise auf ein primäres Paar von
Referenz- und Meßsignalen
geschaltet. Solange der Modusschalter 62 anzeigt, daß sich die
Welle 12 dreht, überprüft der Zähler 64 grob
die Bewegung der Welle 12, um zu bestimmen, innerhalb welchen
Drehschritts sie liegt, während
der Zeitgeber 66 und der Speicher 68 umgangen
werden. Wenn die Welle 12 anhält, beginnt der Zeitgeber 66 automatisch
oder unter Steuerung von der Steuerkonsole 76 über den Mikroprozessor 70 mit
seinem Betrieb, um Messungen von Datenpaaren (Ti,
ti) durchzuführen. Diese Daten werden dann
im Speicher 68 gesammelt.
-
Es
ist ein besonderes Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, daß der
Prozessor 32 Datenpaare von aufeinanderfolgenden Zyklen
der Re ferenz- oder Meßsignale entsprechend
einer vollen Drehung der drehenden Scheibe 16 sammelt.
Dies ermöglicht
eine viel genauere Messung, als sonst mit Bauteilen bestimmter Toleranz
möglich
wäre, da
irgendwelche systematischen Fehler aufgrund von Ungleichmäßigkeiten
der Scheibe dazu neigen, einander aufzuheben. Jedes Datenpaar wird
verwendet, eine Positionsmessung zu berechnen, und eine statistische
Analyse wird an den Ergebnissen durchgeführt.
-
Als
eine weitere Technik zur Verringerung von systematischen Fehlern
führt,
nach Sammlung von Datenpaaren entsprechend einer Drehung der sich
drehenden Scheibe 16 unter Verwendung von Signalen von
einem Satz von photoelektrischen Sensoren, der Mikroprozessor 70 ein
vorübergehendes Umschalten
des Signalprozessors 60 auf die Signale von dem zweiten
Satz von photoelektrischen Sensoren durch. Der Speicher 68 sammelt
dann einen zusätzlichen
Satz von Datenpaaren entsprechend im wesentlichen einer vollen Drehung
der sich drehenden Scheibe 16. Auf diese Weise verwendet
der Prozessor 32 2N Datenpaare, wobei N die Anzahl von
Linien einer jeden skalierten Scheibe ist. Die Gesamtzeit zur Messung
und Verarbeitung an jeder Position beträgt typischerweise ein paar
Sekunden, was praktisch einem Echtzeit-Meßsystem entspricht.
-
Falls
nötig,
kann der Meßzyklus
einmal oder mehrmals wiederholt werden, so daß Mehrfache von 2N erhalten
werden (2kN: k = 1, 2, 3...). Da dies einer sehr hohen Anzahl von
Messungen entspricht, welche so gemacht werden, daß systematische
Fehler minimiert werden, führt
eine statistische Analyse zu einem sehr hohen Genauigkeitsgrad.
-
In
einem bevorzugten Beispiel, bei dem die sich drehende Scheibe 16 ungefähr 3600
Linien pro Drehung hat, führt
die Verwendung eines einzelnen vollen Satzes von Datenpaaren aus
jedem Satz von photoelektrischen Sensoren zu 7200 Datenpaaren. Eine
Analyse dieser Daten liefert eine Winkelgenauigkeit von besser als
1/2 Bogensekunden, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber der
Präzision darstellt,
welche mit Bauteilen ähnlicher
Toleranzen im Stand der Technik erreicht wird.
-
Man
erkennt, daß die
obige Beschreibung lediglich beispielhaft ist und daß viele
andere Ausführungsformen
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung möglich sind,
der alleine durch die beigefügten
Ansprüche
definiert ist. Beispielsweise kann, obgleich die vorliegende Erfindung
bei einer Ausführungsform
beschrieben wurde, welche insbesondere zur Kalibrierung vorhandener
Drehtische oder Plattformen geeignet ist, sie problemlos für eine Einfügung in
eine Drehplattformanordnung ausgelegt werden, welche als Teil eines
Steuersystems verwendet wird.