WO2008083797A1 - Verfahren zur bestimmung einer einflussgrösse auf die exzentrizität in einem winkelmesser - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer einflussgrösse auf die exzentrizität in einem winkelmesser Download PDF

Info

Publication number
WO2008083797A1
WO2008083797A1 PCT/EP2007/010574 EP2007010574W WO2008083797A1 WO 2008083797 A1 WO2008083797 A1 WO 2008083797A1 EP 2007010574 W EP2007010574 W EP 2007010574W WO 2008083797 A1 WO2008083797 A1 WO 2008083797A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
detector
eccentricity
pattern
elements
rotary body
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/010574
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2008083797A8 (de
Inventor
Heinz Lippuner
Knut Sierks
Beat Aebischer
Original Assignee
Leica Geosystems Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leica Geosystems Ag filed Critical Leica Geosystems Ag
Priority to US12/522,198 priority Critical patent/US8031334B2/en
Priority to BRPI0720883-9A priority patent/BRPI0720883B1/pt
Priority to CN2007800495125A priority patent/CN101583851B/zh
Priority to AU2007343360A priority patent/AU2007343360B2/en
Priority to EP07847004.4A priority patent/EP2108105B1/de
Priority to CA2673857A priority patent/CA2673857C/en
Publication of WO2008083797A1 publication Critical patent/WO2008083797A1/de
Publication of WO2008083797A8 publication Critical patent/WO2008083797A8/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G01D18/001—Calibrating encoders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24457—Failure detection
    • G01D5/24466—Comparison of the error value to a threshold
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/2449—Error correction using hard-stored calibration data
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one influencing variable on the measured
  • Rotary encoder used in measuring devices, in particular in geodetic and industrial surveying.
  • the detector In order to be able to achieve such high accuracies, on the one hand the detector must be arranged in a positionally stable manner relative to a bearing via which the rotary body is rotatably mounted about an axis relative to the detector.
  • a high dimensional and dimensional stability of the rotary body, in particular the arrangement and design on the rotary body in the direction of rotation one behind the other about a pattern center arranged pattern elements a mandatory requirement.
  • the rotary body is guided rotatably in a bearing, whereby the mechanical arrangement further influencing variables result in the measurable eccentricity.
  • the resultant run-out deviations of the bearing can thus also contribute to the eccentricity.
  • the pattern elements are optically imaged onto an array of one or more detector elements, eg, CCD or CMOS sensors, as disclosed, for example, in CH 658514. From the position of the pattern elements on the detector assembly or its components can be closed to the angle of the rotary body relative to the detector array.
  • a detector center for example, in a single detector element whose center or a plurality of detector elements, the centroid of the area covered by these serves as a reference, which should ideally coincide without mechanical eccentricity error, the detector center, the fulcrum and the center of the pattern elements.
  • EP 1 632 754 discloses a method in which at least part of a plurality of pattern elements arranged around a pattern center, a plurality of which are arranged one after the other in the direction of rotation, are coupled via optical beams to a multiplicity of detector elements of an optical array Detector is at least partially mapped.
  • the pattern elements are arranged on a rotary body which is rotatably connected to the detector about the axis. Positions of the imaged pattern elements are resolved via the detector elements of one and the same detector. In a first step, effects of eccentricity of the pattern center relative to the axis on the determination of a rotation angle are determined by computation over resolved positions of at least one pattern element. In a second step, the angle of rotation over the resolved positions of successively arranged pattern elements is determined exactly taking into account the determined effects.
  • pattern elements arranged behind one another are combined into at least two groups via an intermediate step, and at least two group positions are determined by calculation over the resolved individual positions of the respective combined pattern elements.
  • the effects of the eccentricity on the determination of the angle of rotation are then calculated by way of the at least two determined group positions. This can be done with higher accuracy via the determined group positions.
  • a corresponding apparatus comprises an optical detector comprising a plurality of detector elements arranged side by side, and a rotary body comprising a plurality of pattern elements arranged around a pattern center, a plurality of which are arranged one behind the other in the direction of rotation.
  • the rotary body is rotatably connected to the detector about an axis.
  • At least some of the pattern elements can be imaged at least partially on detector elements via optical beams. Positions of Imaged pattern elements can be resolved via the detector elements of one and the same detector.
  • the pattern elements and the detector elements are designed and arranged in this device that over resolved positions of at least one of the pattern elements effects of eccentricity of the pattern center to the axis on the determination of a rotation angle are automatically calculated and determined over resolved positions of successively arranged pattern elements taking into account the effects of Eccentricity of the rotation angle can be determined exactly.
  • the prior art methods thus only determine or compensate for the actual eccentricity as a total quantity, and do not differentiate between the various parameters and the associated characteristics, such as e.g. different temporal variability.
  • a general object of the present invention is to improve the method of angle measurement, in particular the eccentricity determination.
  • a more specific object of the present invention is to provide a method for determining the eccentricity factors in a protractor, which does not require any special additional components for the determination of individual mechanical or electronic influencing variables.
  • Another object of the present invention is to allow structural simplifications of the bearings of rotary bodies in protractors or to reduce the requirements required for these bearings.
  • Another object of the present invention is to make the influencing variables on the current eccentricity algorithmically determinable, in particular also with regard to their temporal variability.
  • the eccentricity of the pattern center to the detector center is computationally determined for a large number of measurements.
  • aggregate formation i. By combining and linking, at least one influencing variable is separated or determined from the multiplicity of measured values. Depending on the approach, the factors are either determined or suppressed, e.g. through out. Certain factors can then be used either algorithmically or for direct correction of eccentricity, e.g. for mechanical correction of the axial position by adjusting elements or electronically by adaptation. Alternatively, when a threshold value is reached, an error message can also be output or the requirement for a repair or a factory correction can be displayed.
  • the invention is based on the use of the detector elements of the detector arrangement, ie the angle measuring heads themselves, for the determination of the various influencing variables on the eccentricity, such as the translational movement of the axis of rotation.
  • a plurality of eccentricity measurements for different angular positions, ie position of rotary body to detector array performed.
  • the recording of such measurements can be done separately as part of a special purposeful passage of calibration measurements or based on the continuously obtained measurements in the current operation. From the totality of the measurements, the various influencing variables can be separated, in particular on the basis of their specific temporal or spatial variability.
  • influencing variables is the determination of the current position of the axis of rotation of the rotating body within the bearing.
  • a reference of the fulcrum takes place to a detector center as an excellent position of the detector array.
  • the measurements have a portion which has a periodicity of 2 ⁇ and which arises as a pattern or code error due to the deviation of the pattern center from the center of rotation. This proportion can be determined for example by a Fourier decomposition.
  • a separation of this influence can also be achieved by the formation of mean values respectively.
  • the averaging can be carried out with a window as a moving average. Depending on the width of the window or possibly a weighting of the measurements, a corresponding resolution is created.
  • the determination of the influences can also be carried out in parallel on the same sets of measured values with different methods or parameter sets.
  • different methods e.g. for the analysis of time series, signal analysis or general statistical methods.
  • the methods and their parameters will generally depend on the influencing variables to be determined and their characteristic magnitudes.
  • the first measurements after the start of the device can be analyzed in order to determine the heating-related influences of the bearing or the electronics.
  • the typical time scales for the shifts of the axis are known or can be estimated, so that data sets to be analyzed or the windows or weight functions to be used can be determined accordingly.
  • the movement in the axial direction can be determined as a Z direction with suitable angle measuring heads.
  • a bar code is patterned onto a line array or area array.
  • the distance change of the code to the receiver changes the projection scale of the barcode. This change in the projection scale can be used as a measure of the Distance change or the position can be used in the axial direction. If the distances to the rotary body are determined for two detector elements, the tilt of the axis can also be determined. Any influences due to a deformation of the rotating body can be excluded or separated, in turn, if an identification or removal of the proportion with a periodicity of 2 ⁇ for the angular positions takes place.
  • the method according to the invention permits the identification and consideration of the various influencing variables on the eccentricity by the formation of targeted aggregates from the multiplicity of measurements. Depending on the choice of aggregate formation, an influencing variable is determined or suppressed, while the effects of the remaining influencing variables form a residuum.
  • 3 shows the schematic representation of the effect of the influencing variable of a code error
  • 4 is a schematic representation of the effect of the influencing variables of a code error and a translational displacement of the axis of rotation
  • FIG. 6 shows the schematic representation of the geometric relationships for determining the axial position of the rotating body.
  • Fig.l shows the schematic representation of the structural structure of a generic protractor with a support member 1 with a rotary body 2 with a plurality of pattern center arranged pattern elements, a detector array of four optical detector elements 3.
  • the disc-shaped rotary body 2 is relative to the support member 1 about an axis 4 rotatably arranged.
  • the eccentricity can be derived in several steps or directly in the course of the rotation angle determination. To a parallel determination of rotation angle and eccentricity with high resolution too allow three, four or even more detector elements 2 are used. The measured eccentricity is not yet separated in the context of the individual measurement with respect to their different influencing variables.
  • a multiplicity of eccentricity measurements are carried out for different rotational positions of the rotary body 2. This can be done as a separate measurement or calibration pass and / or the measurement results can be recorded and used during operation. From the large number of eccentricity measurements, 5 different influencing variables of the current eccentricity are separated by a computing and evaluation unit, in particular by aggregate formation. Influences can be stored or used to model and used in current or subsequent measurements as well as for mechanical or electronic corrections.
  • FIGS. 2 to 4 wherein the schematic illustration of the position of the rotary body without eccentricity error takes place in FIG. Shown are the pattern elements 6, whose pattern center coincides with the axis of rotation 4 in this case.
  • a detector center DZ can be defined, which should ideally coincide with the pattern center and the axis of rotation 4, so that no eccentricity errors occur.
  • the detector arrangement it is additionally possible to define an x and ay axis as reference variables with respect to which the rotational positions are determined.
  • the code arranged on the rotary body only turns off Illustrative reasons as an incremental code with an equidistant sequence of similar pattern elements 6 shown.
  • the method according to the invention is not limited thereto and can basically be used for all types of incremental or absolute codes.
  • the pattern center MZ is shifted as the geometric center of the pattern elements 6 or of the overall code defined by them to the upper left.
  • the pattern center performs a circular movement about the detector center DZ.
  • the eccentricity of the pattern center MZ can be determined on the basis of the shifted relative to Figure 2 positions of the pattern elements 6 on the detector elements 3.
  • the detector elements 3 register a degree of eccentricity varying sinusoidally with the period 2 ⁇ as a function of the rotational position.
  • Pattern center MZ, detector center DZ and rotation axis 4 now fall apart. Due to the rotation of the rotary body about the axis of rotation 4, the pattern center MZ moves in a circle around this axis of rotation 4, which in turn has an eccentricity with respect to the detector center DZ. In this case, two influencing factors ' of the eccentricity overlap.
  • the detector elements 3 of the detector arrangement always determine the position of the pattern elements 6 without direct resolution of the influencing variables which make up the total eccentricity results.
  • the detector elements 3 register a degree of eccentricity which is offset relative to the axes and varies sinusoidally with the period 2 ⁇ as a function of the rotational position.
  • the position of the actual pivot point of the rotary body with respect to the detector center DZ can be determined as a translational bearing displacement.
  • it is also possible to observe the time dependence for example by a continuous analysis during operation or an automatic calibration sequence over the full angle circle when the device is started. The values measured in this case can then be analyzed with regard to the change in the influencing variables in terms of time and corresponding models or functions, for example, for the temporal change in the position of the current pivot point, derived.
  • FIG. 5 explains the separation of the influencing variables of a code error and a translatory displacement of the axis of rotation.
  • the magnitude of the eccentricity error ⁇ x with respect to the x-axis is shown as a function of the rotational position ⁇ .
  • the upper illustration shows the change for the pure code error shown in FIG. 3, ie the deviation of the pattern center from the fulcrum, which in turn coincides with the detector center.
  • the eccentricity error ⁇ x varies sinusoidally around the zero position, for illustrative reasons, the Repetition of a rotation as a period until 4 ⁇ is shown.
  • the lower diagram shows the change for the combination of the influences of code error and translational displacement of the axis of rotation shown in FIG. the deviation of the pattern center from the pivot as well as its deviation from the detector center.
  • the eccentricity error ⁇ x varies sinusoidally around the zero position displaced by a nonperiodic component NPA, and for reasons of illustration, the repetition of a rotation is also represented here as a period up to An.
  • the position of the axis of rotation can be considered static for the purposes of the current determination. If, with a small number of measurements, the rotational positions are evenly distributed or the number of measurements sufficiently large, then the effects of the sinusoidal changes can be eliminated by averaging, in particular by a moving average, which also permits a temporal limitation of the values to be taken into account through its detection window ,
  • general statistical approaches may be used in addition or alternatively, e.g. a weighting of measurements based on their measurement time.
  • the code or division error as a pattern-specific influencing variable with a periodicity corresponding to the full rotation of the rotary body can also be separated by other correspondingly suitable methods be, for example by a Fourier decomposition. This is useful, for example, in the case of noisy measured values or not uniformly distributed over the full circle. This also allows an analysis of within the measurement interval to be evaluated not static factors, such as a drifting, nutating or precessing axis of rotation, the harmonic components can be separated.
  • Detector element b half the length of the detector element, d the resolution of the detector element

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

In einem Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Einflussgrösse auf die Exzentrizität in einem Winkelmesser mit einer Detektoranordnung aus vier optischen Detektorelementen (3), einem Drehkörper mit einer Vielzahl um ein Musterzentrum (MZ) angeordneter Musterelemente (6), wobei der Drehkörper um eine Achse (4) rotierbar angeordnet ist, wird wenigstens ein Teil der Musterelemente (6) auf die Detektoranordnung abgebildet, die Positionen der auf der Detektoranordnung abgebildeten Musterelemente (6) aufgelöst und die Exzentrizität des Musterzentrums (MZ) relativ zu einem Detektorzentrum (DZ) der Detektoranordnung bestimmt. Aus einer Vielzahl von solchen Exzentrizitätsmessungen für unterschiedliche Drehlagen werden verschiedene Einf lussgrössen der aktuellen Exzentrizität separiert, insbesondere durch Aggregatbildung.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer Einflussgrösse auf die Exzentrizität in einem Winkelmesser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Einflussgrösse auf die gemessene
Exzentrizität in einem Winkelmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Computerprogrammprodukt.
Verfahren und Vorrichtungen zum genauen Bestimmen eines Drehwinkels werden seit vielen Jahren unter anderem als
Drehwinkelgeber bei Messvorrichtungen, insbesondere in der geodätischen und industriellen Vermessung, eingesetzt. Über solche Verfahren und Vorrichtungen ist es bei entsprechenden Vorkehrungen sogar möglich, mit einer Messgenauigkeit • in der Grössenordnung einiger weniger
Winkelsekunden einen Vollkreis in über eine Million
Einheiten aufzulösen.
Um derartig hohe Genauigkeiten erreichen zu können, muss einerseits der Detektor lagestabil zu einem Lager angeordnet sein, über welches der Drehkörper relativ zum Detektor um eine Achse drehbar gelagert ist. Andererseits ist eine hohe Mass- und Formhaltigkeit des Drehkörpers, insbesondere die Anordnung und Ausbildung auf dem Drehkörper in Drehrichtung hintereinander um ein Musterzentrum angeordneter Musterelemente, eine zwingende Voraussetzung. Neben partiellen Teilungsungenauigkeiten, die auf Abweichungen der vorgegebenen Abstände zwischen einzelnen hintereinander angeordneten Musterelementen und/oder auf Abweichungen der Abmessungen der Musterelemente selbst zurückzuführen sind, verunmöglicht in der Praxis oft eine Beabstandung des Musterzentrums von der Achse, eine so genannte Exzentrizität des Musterzentrums zur Achse, ein Erreichen geforderter Genauigkeiten. Aufgrund immer vorhandener Fertigungstoleranzen weist jeder Drehkörper eine Exzentrizität auf, die in der Regel konstanten Wert hat. Zudem treten neben der Exzentrizität des gesamten Musters, also der Gesamtheit aller Musterelemente relativ zum Drehkörper oder der Zentrierung der Teilung zur Welle, noch eigentliche Teilungsfehler des Kreises auf, d.h. eine Abweichung der einzelnen Musterelemente relativ zueinander und damit innerhalb der Anordnung der Musterelemente.
Der Drehkörper wird in einem Lager rotierbar geführt, wobei durch die mechanische Anordnung weitere Einflussgrössen auf die messbare Exzentrizität resultieren. Die hieraus entstehenden Rundlaufabweichungen des Lagers können damit ebenfalls einen Beitrag zur Exzentrizität liefern. Wirken beim Bestimmen von Drehwinkeln - insbesondere bei schweren Messobjekten - auf Teile der Vorrichtung nennenswerte Belastungen durch Kräfte, so können drehwinkelabhängige oder sich zeitlich ändernde Exzentrizitäten auftreten. Diese werden beispielsweise durch ein ohnehin vorhandenes Lagerspiel sowie Veränderung durch die Schmierung des Lagers und die Lagerbelastung bewirkt oder verstärkt. Zudem treten durch eine Neigung der Rotationsachse des Drehkörpers Taumelfehler auf.
Um solche mechanische Lagerfehler zu verringern oder gänzlich zu vermeiden, werden bisher vergleichsweise hochwertige, aufwendige Lager verwendet, welche es erlauben, die Exzentrizität innerhalb einer zulässigen Toleranz zu stabilisieren, so dass zumindest keine Veränderungen einer kalibrierbaren mechanischen Exzentrizität eintreten. In vielen Winkelmessern werden die Musterelemente optisch auf eine Anordnung aus einem oder mehreren Detektorelementen, z.B. CCD- oder CMOS-Sensoren, abgebildet, wie beispielsweise in der CH 658514 geoffenbart. Aus der Lage der Musterelemente auf der Detektoranordnung bzw. deren Komponenten kann auf den Winkel des Drehkörpers gegenüber der Detektoranordnung geschlossen werden. Hierbei dient ein Detektorzentrum, z.B. bei einem einzigen Detektorelement dessen Mittelpunkt oder bei einer Mehrzahl von Detektorelementen der Flächenschwerpunkt der von diesen abgedeckten Fläche, als Bezugsgrösse, wobei im Idealfall ohne mechanische Exzentrizitätsfehler das Detektorzentrum, der Drehpunkt und das Zentrum der Musterelemente zusammenfallen sollen.
Neben den bereits dargestellten mechanischen Einflussgrössen auf die gemessene Exzentrizität entstehen jedoch auf Einflüsse durch die verwendeten elektronischen Komponenten. Diese resultieren z.B. aus Quantisierungsfehlern oder dem Rauschen einer Analogelektronik. Dabei sind sowohl mechanische als auch elektronische Einflussgrössen zumeist abhängig von zeitlichen Veränderungen oder aufgrund von Temperaturschwankungen.
Zur Messung der aktuellen Exzentrizität ist aus der EP 1 632 754 ein Verfahren bekannt, bei dem wenigstens ein Teil einer Vielzahl um ein Musterzentrum angeordneter Musterelemente, von denen eine Vielzahl in Drehrichtung hintereinander angeordnet sind, über optische Strahlen auf einer Vielzahl aneinander gereihter Detektorelemente eines optischen Detektors wenigstens teilweise abgebildet wird. - A -
Die Musterelemente sind auf einem Drehkörper angeordnet, der mit dem Detektor um die Achse drehbar verbunden ist. Über die Detektorelemente ein und desselben Detektors werden Positionen der abgebildeten Musterelemente aufgelöst. In einem ersten Schritt werden über aufgelöste Positionen wenigstens eines Musterelements Auswirkungen einer Exzentrizität des Musterzentrums zur Achse auf das Bestimmen eines Drehwinkels rechnerisch ermittelt. In einem zweiten Schritt wird unter Berücksichtigung der ermittelten Auswirkungen der Drehwinkel über die aufgelösten Positionen hintereinander angeordneter Musterelemente genau bestimmt.
In einer Variante des dort geoffenbarten Verfahrens werden bei dem ersten Schritt über einen Zwischenschritt hintereinander angeordnete Musterelemente zu wenigstens zwei Gruppen zusammengefasst und über die aufgelösten Einzelpositionen der jeweils zusammengefassten Musterelemente wenigstens zwei Gruppenpositionen rechnerisch ermittelt. Über die wenigstens zwei ermittelten Gruppenpositionen werden dann Auswirkungen der Exzentrizität auf das Bestimmen des Drehwinkels rechnerisch ermittelt. Über die ermittelten Gruppenpositionen kann dies mit höherer Genauigkeit erfolgen.
Eine entsprechende Vorrichtung einen optischen Detektor, der eine Vielzahl aneinander gereihter Detektorelemente umfasst, und einen Drehkörper auf, der eine Vielzahl um ein Musterzentrum angeordneter Musterelemente umfasst, von denen eine Vielzahl in Drehrichtung hintereinander angeordnet ist. Der Drehkörper ist mit dem Detektor um eine Achse drehbar verbunden. Über optische Strahlen ist wenigstens ein Teil der Musterelemente wenigstens teilweise auf Detektorelementen abbildbar. Positionen der abgebildeten Musterelemente sind über die Detektorelemente ein und desselben Detektors auflösbar. Die Musterelemente und die Detektorelemente sind bei dieser Vorrichtung derart ausgebildet und angeordnet, dass über aufgelöste Positionen wenigstens eines der Musterelemente Auswirkungen einer Exzentrizität des Musterzentrums zur Achse auf das Bestimmen eines Drehwinkels selbsttätig rechnerisch ermittelbar sind und über aufgelöste Positionen hintereinander angeordneter Musterelemente unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Exzentrizität der Drehwinkel genau bestimmbar ist.
Da über ein und denselben Detektor sowohl die Auswirkungen einer Exzentrizität auf das Bestimmen des Drehwinkels rechnerisch ermittelbar als auch der Drehwinkel um eine Achse genau bestimmbar ist, können Vorrichtungen zum genauen Bestimmen eines Drehwinkels mit hoher Auflösung realisiert werden. Da das Ermitteln der Auswirkungen einer Exzentrizität und das Bestimmen des Drehwinkels unter Berücksichtigung der Auswirkungen über ein und denselben Detektor mit ein und demselben ortsauflösenden Bereich erfolgt, kann zudem eine hohe Genauigkeit und Robustheit einer derartigen Vorrichtung erzielt werden. Auch ist es möglich, beide Funktionen mit denselben zu derselben Zeit aufgelösten Positionen von Musterelementen auszuführen.
Aus der US 2001/0013765 ist ein optischer Winkelmesser bekannt, bei dem eine Vielzahl von Sensoren an der Berandung eines scheibenförmigen Codeträgers angeordnet sind. Mit diesem System sollen ohne eine Messung von Exzentrizitäten oder deren Einflussgrössen die hieraus resultierenden Effekte durch Mittelung vermindert oder eliminiert werden. Ein ähnlicher Ansatz wird in DE 199 07 326 verfolgt, wobei ein inkrementelles System geoffenbart wird, das durch Addition von Zählerständen definiert verteilter Sensoren eventuelle Exzentrizitäten eliminiert. Dies bedeutet, dass die hinsichtlich des zu bestimmenden Winkels auszuwertenden Signale keinen Exzentrizitätseinfluss mehr aufweisen sollen. Durch das System wird also ein Exzentrizitätsfehler kompensiert.
Die Verfahren des Stands der Technik bestimmen oder kompensieren somit nur die aktuelle Exzentrizität als Gesamtgrösse und differenzieren dabei nicht zwischen den verschiedenen Einflussgrössen und den damit verbundenen Charakteristiken, wie z.B. unterschiedlicher zeitlicher Variabilität.
Neben einer grundsätzlichen Verringerung oder Vermeidung einiger Einflussgrössen kann beispielsweise auch die translatorische Verschiebung der Drehachse gemessen und diese Verschiebung für das Endergebnis der Messung oder auch für direkte Korrekturen berücksichtigt werden. Dies kann beispielsweise durch Messung der Verschiebung des Lagerzapfens über bekannte, berührende oder berührungslose Messverfahren, z.B. Messtaster, direkt an der Welle erfolgen. Um diese Bewegung in der Ebene zu erfassen sind mindestens 3 oder mehr solcher Weggeber notwendig. Auch zylindrische, kapazitive, die Welle umfassende Sensoren sind dabei realisierbar. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei kleinem Unterschied zwischen translatorischer Lagerverschiebung und diesen versch. Fehlereinflüssen auch eine exakte Ermittlung der Lagerverschiebung schwierig ist. Durch solche den mechanischen Zustand des Systems direkt messenden Systeme werden Winkelmesser jedoch aufwendig, komplex und fehleranfällig.
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung der Verfahren zur Winkelmessung, insbesondere der Exzentrizitätsbestimmung.
Eine spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung der Einflussgrössen auf die Exzentrizität in einem Winkelmesser bereitzustellen, das ohne spezielle zusätzliche Komponenten zur Bestimmung einzelner mechanischer oder elektronischer Einflussgrössen auskommt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bauliche Vereinfachungen der Lager von Drehkörpern in Winkelmessern zu ermöglichen bzw. die für diese Lager erforderlichen Anforderungen zu verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Einflussgrössen auf die aktuelle Exzentrizität algorithmisch bestimmbar zu machen, insbesondere auch hinsichtlich ihrer zeitlichen Veränderlichkeit.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder durch Merkmale der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. diese Lösungen weitergebildet.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren wird zum Bestimmen eines Exzentrizitätsfehlers für einen Drehwinkel um eine Achse wenigstens ein Teil einer Vielzahl um ein Musterzentrum angeordneter Musterelemente, von denen eine Vielzahl in Drehrichtung hintereinander angeordnet sind, —
über optische Strahlen auf ein oder mehrere Detektorelemente einer optischen Detektoranordnung wenigstens teilweise abgebildet, wie dies beispielsweise in der EP 1 632 754 geoffenbart ist. Die Musterelemente sind auf einem Drehkörper angeordnet, der mit dem Detektor um die Achse drehbar verbunden ist. Über die Detektorelemente werden Positionen der abgebildeten Musterelemente aufgelöst. In einem ersten Schritt wird für eine Vielzahl von Messungen die Exzentrizität des Musterzentrums zum Detektorzentrum rechnerisch ermittelt. In einem zweiten Schritt wird durch Aggregatbildung, d.h. durch Zusammenfassung und Verknüpfung, aus der Vielzahl von Messwerten wenigsten eine Einflussgrösse abgetrennt bzw. bestimmt. Je nach Ansatz werden die Einflussgrössen entweder bestimmt oder aber unterdrückt, z.B. durch herausmitteln. Bestimmte Einflussgrössen können dann entweder algorithmisch oder aber zur direkten Korrektur der Exzentrizität verwendet werden, z.B. zur mechanischen Korrektur der Achslage durch Stellelemente oder elektronisch durch Anpassung. Alternativ kann bei Erreichen eines Schwellwertes auch eine Fehlermeldung ausgegeben oder das Erfordernis einer Reparatur oder einer werksseitigen Korrektur angezeigt werden.
Die Erfindung basiert dabei auf der Nutzung der Detektorelemente der Detektoranordnung, d.h. der Winkelmessköpfe selber, für die Bestimmung der verschiedenen Einflussgrössen auf die Exzentrizität, wie z.B. der translatorischen Bewegung der Drehachse. Hierfür wird eine Vielzahl von Exzentrizitätsmessungen für verschiedene Winkellagen, d.h. Stellung von Drehkörper zu Detektoranordnung, durchgeführt. Die Aufnahme solcher Messungen kann dabei getrennt im Rahmen eines speziellen zweckgerichteten Durchlaufs von Kalibriermessungen erfolgen oder aber auf den fortlaufend gewonnenen Messungen im aktuellen Betrieb beruhen. Aus der Gesamtheit der Messungen können hierbei die verschiedenen Einflussgrössen separiert werden, insbesondere anhand ihrer spezifischen zeitlichen oder räumlichen Veränderlichkeit. Dies bedeutet, dass aus der Gesamtheit bzw. Mehrzahl der die Exzentrizität erzeugenden Einflussgrössen einzelne identifiziert und abgetrennt werden, wobei zumeist ein Residuum an Resteinflussgrössen verbleibt. Damit erfolgt eine Differenzierung der Einflussgrössen, deren Ursachen und Auswirkungen unterschiedlich sind bzw. zu durch unterschiedliche Massnahmen verringert oder kompensiert werden können. Je nach Umfang der zur Verfügung stehenden Messungen können dabei auch zeitliche Veränderungen der Einflussgrössen auf aktuelle Exzentrizitätsmessungen abgeleitet oder modelliert werden.
Ein Beispiel für solche Einflussgrössen ist die Bestimmung der aktuellen Lage der Drehachse des Drehkörpers innerhalb des Lagers. Hierbei erfolgt eine Bezugsetzung des Drehpunktes zu einem Detektorzentrum als einer ausgezeichneten Position der Detektoranordnung. Werden viele Exzentrizitätsmessungen für alle möglichen Winkellagen durchgeführt, idealerweise gleichverteilt, so weisen die Messungen einen Anteil auf der eine Periodizität von 2π besitzt und der als Muster- oder Codefehler durch die Abweichung des Musterzentrums vom Drehzentrum entsteht. Dieser Anteil kann beispielsweise durch eine Fourierzerlegung bestimmt werden. Alternativ kann bei hinreichend grosser Zahl von Messungen und gleichmässiger Verteilung der Winkellagen eine Abseparation dieses Einflusses aber auch durch die Bildung von Mittelwerten erfolgen. Um eine zeitliche Veränderlichkeit zu bestimmen kann dabei die Mittelwertbildung mit einem Fenster als gleitender Durchschnitt erfolgen. Je nach Breite des Fensters oder ggf. einer Gewichtung der Messungen entsteht eine entsprechende Auflösung.
Die Bestimmung der Einflüsse kann dabei auch parallel auf den gleichen Sätzen an Messwerten mit unterschiedlichen Verfahren oder Parametersätzen durchgeführt werden. Zur Anwendung können dabei unterschiedlichen Verfahren, z.B. zur Analyse von Zeitreihen, Signalanalyse oder allgemeine statistische Verfahren. Dabei werden die Verfahren und deren Parameter im allgemeinen von den zu bestimmenden Einflussgrössen und deren charakteristischen Grossen abhängen. Beispielsweise können die ersten Messungen nach dem Start des Gerätes analysiert werden, um die erwärmungsbedingten Einflüsse des Lagers oder der Elektronik zu ermitteln. Je nach Lagertyp sind die typischen Zeitskalen für die Verschiebungen der Achse bekannt oder abschätzbar, so dass zu analysierende Datenmengen oder die zu verwendenden Fenster bzw. Gewichtsfunktionen entsprechend bestimmt werden können.
Neben den Einflussgrössen, die zu einem direkten Exzentrizitätsbeitrag in der Ebene der Detektoranordnung führen, wie z.B. der translatorischen Verschiebung der Lagerwelle, kann mit geeigneten Winkelmessköpfen auch die Bewegung in der Achsrichtung als Z-Richtung ermittelt werden. Bei einigen Winkelmesssystemen, wie z.B. in CH 658514, wird ein Strichcode als Muster auf einen Zeilenarray oder Flächenarray projiziert. Durch die Abstandsänderung des Codes zum Empfänger ändert sich der Projektionsmassstab des Strichcodes. Diese Änderung des Projektionsmassstabes kann als Mass für die Abstandsänderung bzw. die Position in axialer Richtung verwendet werden. Werden für zwei Detektorelemente die Abstände zum Drehkörper bestimmt, so kann auch die Verkippung der Achse bestimmt werden. Etwaige Einflüsse aufgrund einer Deformation des Drehkörpers können dabei ausgeschlossen oder abgetrennt werden, wenn wiederum eine Identifikation oder Herausmittelung des Anteils mit einer Periodizität von 2π für die Winkellagen erfolgt.
Insgesamt erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren durch die Bildung von zielgerichteten Aggregaten aus der Vielzahl von Messungen eine Identifikation und Berücksichtigung der verschiedenen Einflussgrössen auf die Exzentrizität. Je nach Wahl der Aggregatbildung wird dabei eine Einflussgrösse bestimmt oder unterdrückt, während die Wirkungen der übrigen Einflussgrössen ein Residuum bilden.
Ein erfindungsgemässes Verfahren wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben. Im einzelnen zeigen
Fig.l die schematische Darstellung des strukturellen
Aufbaus eines gattungsgemässen Winkelmessers;
Fig.2 die schematische Darstellung der Lage des Drehkörpers ohne Exzentrizitätsfehler;
Fig.3 die schematische Darstellung der Auswirkung der Einflussgrösse eines Codefehlers; Fig.4 die schematische Darstellung der Auswirkung der Einflussgrössen eines Codefehlers und einer translatorischen Verschiebung der Drehachse;
Fig.5 die schematische Darstellung der Separation der Einflussgrössen eines Codefehlers und einer translatorischen Verschiebung der Drehachse und
Fig.6 die schematische Darstellung der geometrischen Beziehungen für Bestimmung der axialen Position des Drehkörpers.
Fig.l zeigt die schematische Darstellung des strukturellen Aufbaus eines gattungsgemässen Winkelmessers mit einem Trägerelement 1 mit einem Drehkörper 2 mit einer Vielzahl um ein Musterzentrum angeordneter Musterelemente, einer Detektoranordnung aus vier optischen Detektorelementen 3. Der scheibenförmige Drehkörper 2 ist gegenüber dem Trägerelement 1 um eine Achse 4 rotierbar angeordnet.
Zur Bestimmung einer aktuellen Drehlage des Drehkörpers 2 relativ zum Trägerelement 1 bzw. zur Detektoranordnung wird wenigstens ein Teil der Musterelemente auf die Detektorelemente 3 der Detektoranordnung abgebildet. Hierbei werden die Positionen der auf der Detektoranordnung abgebildeten Musterelemente aufgelöst und Drehlage sowie Exzentrizität des Musterzentrums relativ zu einem Detektorzentrum der Detektoranordnung abgeleitet. Je nach Ausgestaltung der Detektoranordnung und Zahl der Detektorelemente 2 kann die Exzentrizität in mehreren Schritten oder direkt im Zuge der Drehwinkelbestimmung abgeleitet werden. Um eine parallele Bestimmung von Drehwinkel und Exzentrizität mit hoher Auflösung zu ermöglichen, werden drei, vier oder auch mehr Detektorelemente 2 verwendet. Die gemessene Exzentrizität wird im Rahmen der einzelnen Messung noch nicht bezüglich ihrer unterschiedlichen Einflussgrössen separiert.
Erfindungsgemäss wird eine Vielzahl von Exzentrizitätsmessungen für unterschiedliche Drehlagen des Drehkörpers 2 durchgeführt. Dies kann als separater Messoder Kalibrierdurchgang erfolgen und/oder es können die Messergebnisse während des Betriebs aufgenommen und genutzt werden. Aus der Vielzahl von Exzentrizitätsmessungen werden durch eine Rechen- und Auswerteeinheit 5 verschiedene Einflussgrössen der aktuellen Exzentrizität separiert, insbesondere durch Aggregatbildung. Die Einflussgrössen können gespeichert bzw. zur Modellbildung verwendet werden und in aktuellen oder nachfolgenden Messungen sowie für mechanische oder elektronische Korrekturen verwendet werden.
Die dem Verfahren zugrundeliegende Beziehungen werden in Fig.2-4 erläutert, wobei in Fig.2 die schematische Darstellung der Lage des Drehkörpers ohne Exzentrizitätsfehler erfolgt. Dargestellt werden die Musterelemente 6, deren Musterzentrum in diesem Fall mit der Drehachse 4 zusammenfällt. Für die Detektoranordnung aus den vier Detektorelementen 3 kann ein Detektorzentrum DZ definiert werden, das im Idealfall mit dem Musterzentrum und der Drehachse 4 übereinstimmen soll, so dass keine Exzentrizitätsfehler auftreten. Bezüglich der Detektoranordnung können zudem eine x- und eine y-Achse als Bezugsgrössen definiert werden, bezüglich derer die Drehlagen bestimmt werden. In den Beispielen wird der auf dem Drehkörper angeordnete Code lediglich aus Veranschaulichungsgründen als Inkrementalcode mit einer äquidistanten Abfolge von gleichartigen Musterelementen 6 dargestellt. Das erfindungsgemässe Verfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann grundsätzlich für alle Typen von Inkremental- oder Absolutcodes Verwendung finden.
In Fig.3 wird die Auswirkung der Einflussgrösse eines Codefehlers schematisch dargestellt. In diesem Fall ist das MusterZentrum MZ als geometrischer Mittelpunkt der Musterelemente 6 bzw. des durch diese definierten Gesamtcodes nach links oben verschoben. Bei einer Rotation um die Drehachse 4, die hier weiterhin mit dem Detektorzentrum DZ zusammenfällt, vollführt das Musterzentrum eine kreisende Bewegung um das Detektorzentrum DZ. Die Exzentrizität des Musterzentrums MZ kann anhand der gegenüber Fig.2 verschobenen Positionen der Musterelemente 6 auf den Detektorelementen 3 bestimmt werden. Die Detektorelemente 3 registrieren hierbei ein in Abhängigkeit der Drehlage sinusförmig mit der Periode 2π variierendes Ausmass der Exzentrizität.
Fig.4 zeigt die schematische Darstellung der Auswirkung der Einflussgrössen eines Codefehlers und einer translatorischen Verschiebung der Drehachse. Nun fallen Musterzentrum MZ, Detektorzentrum DZ und Drehachse 4 auseinander. Durch die Rotation des Drehkörpers um die Drehachse 4 bewegt sich das Musterzentrum MZ kreisförmig um diese Drehachse 4, die wiederum eine Exzentrizität bzgl. des Detektorzentrum DZ aufweist. In diesem Fall überlagern sich zwei Einflussgrössen ' der Exzentrizität. Die Detektorelemente 3 der Detektoranordnung bestimmen stets die Position der Musterelemente 6 ohne direkte Auflösung der Einflussgrössen, aus denen die Gesamtexzentrizität resultiert. Durch die Überlagerung der beiden Exzentrizitätseinflüsse registrieren die Detektorelemente 3 hierbei ein gegenüber den Achsen versetztes und in Abhängigkeit der Drehlage sinusförmig mit der Periode 2π variierendes Ausmass der Exzentrizität. Durch eine Trennung der beiden Einflussgrössen bzw. Exzentrizitätsursachen kann die Lage des aktuellen Drehpunkts des Drehkörpers bezüglich des Detektorzentrums DZ als translatorische Lagerverschiebung bestimmt werden. Neben der Auswertung der winkel- bzw. drehlagenabhängigen Exzentrizitätsmessungen kann auch eine Betrachtung der Zeitabhängigkeit erfolgen, bspw. durch eine fortlaufende Analyse während des Betriebes oder eine automatische Kalibriersequenz über den vollen Winkelkreis beim Starten des Gerätes. Die hierbei gemessenen Werte können dann hinsichtlich der Veränderung der Einflussgrössen in zeitlicher Hinsicht analysiert und entsprechende Modelle oder Funktionen, z.B. für die zeitliche Veränderung der Lage des aktuellen Drehpunkts, abgeleitet werden.
In Fig.5 wird die Separation der Einflussgrössen eines Codefehlers und einer translatorischen Verschiebung der Drehachse erläutert. Dargestellt wird die Grosse des Exzentrizitätsfehlers εx bezüglich der x-Achse in Abhängigkeit von der Drehlage φ.
Die obere Darstellung zeigt hierbei die Veränderung für den in Fig.3 dargestellten reinen Codefehler, d.h. die Abweichung des Musterzentrums vom Drehpunkt, der seinerseits mit dem Detektorzentrum zusammenfällt. Der Exzentrizitätsfehlers εx variiert sinusförmig um die Null- Lage, wobei aus Veranschaulichungsgründen auch die Wiederholung einer Rotation als Periode bis 4π dargestellt wird.
Die untere Darstellung zeigt hierbei die Veränderung für die in Fig.4 dargestellte Kombination der Einflüsse aus Codefehler und translatorischer Verschiebung der Drehachse, d.h. die Abweichung des Musterzentrums vom Drehpunkt, sowie dessen Abweichung vom DetektorZentrum. Der
Exzentrizitätsfehlers εx variiert sinusförmig um die um einen nichtperiodischen Anteil NPA verschobene Null-Lage, wobei aus Veranschaulichungsgründen auch hier die Wiederholung einer Rotation als Periode bis An dargestellt wird.
Erfolgen die Messungen mit hoher Frequenz und somit unterhalb der Zeitskala für Veränderungen der translatorischen Verschiebung, so kann die Position der Drehachse für die Zwecke der aktuellen Bestimmung als statisch betrachtet werden. Sind bei kleiner Zahl von Messungen die Drehlagen gleichverteilt bzw. die Zahl der Messungen hinreichend gross, so können die Einflüsse der sinusförmigen Veränderungen durch eine Mittelwertbildung eliminiert werden, insbesondere durch einen gleitenden Mittelwert, der durch sein Erfassungsfenster auch eine zeitliche Einschränkung der zu berücksichtigenden Werte erlaubt. Hierbei können allgemeine statistische Ansätze ergänzend oder alternativ zur Anwendung kommen, z.B. eine Gewichtung von Messungen anhand ihres Messzeitpunktes.
Der Code- bzw. Teilungsfehler als eine musterspezifische Einflussgrösse mit einer der vollen Rotation des Drehkörpers entsprechenden Periodizität kann aber auch durch andere entsprechend geeignete Verfahren separiert werden, z.B. durch eine Fourier-Zerlegung. Dies bietet sich beispielsweise bei verrauschten oder nicht über den Vollkreis gleichverteilten Messwerten an. Auch erlaubt dies eine Analyse von innerhalb des auszuwertenden Messintervalls nicht statischen Einflussgrössen, wie z.B. einer driftenden, nutierende oder präzedierenden Drehachse, deren harmonische Anteile so getrennt werden können.
Eine Ergänzung der Bestimmung von Einflussgrössen stellt die Bestimmung vertikaler Effekte dar, d.h. die Berücksichtigung der z-Achse, wie dies in Fig.6 anhand der Darstellung der geometrischen Beziehungen für Bestimmung der axialen Position des Drehkörpers 2 erläutert wird. Hierbei wird die Lage des Drehkörpers 2 oder von Musterelementen des Drehkörpers 2 in axialer Richtung anhand des Projektionsmassstabs der Musterelemente auf die Detektoranordnung bzw. die Detektorelemente 3 durch die auf dem Trägerelement 1 angeordnete Rechen- und Auswerteeinheit 5 bestimmt. Weist die Detektoranordnung wenigstens zwei Detektorelemente 3 auf, insbesondere mit einer orthogonalen Ausrichtung, so kann aus den beiden Distanzwerten für die unterschiedlichen Position eine Verkippung der Drehachse 4 abgeleitet wird.
Die geometrischen Beziehungen stellen sich dabei wie folgt dar
a _ a + H 7~ b (D a + D a+H
(2) b-d/2
wobei a den Abstand von Drehkörper zu einer beleuchtenden
Quelle, t den Radius des Drehkörpers,
D die Verschiebung des Drehkörpers als Fehler, H den Abstand der Oberseite des Drehkörpers zum
Detektorelement, b die halbe Länge des Detektorelementes, d die Auflösung des Detektorelementes
bezeichnen, mit a, t, H gegeben, b, b-d gemessen und D gesucht. Aus (1) und (2) folgt die Beziehung
_ a • d ,-, ,
D = ∞a/2b-d
2b-d (3)
so daß sich für ein Zahlenbeispiel mit a = 30 mm, b = 4 mm, dmin = 0.001 mm eine Auflösung und damit Messgenauigkeit für die Verschiebung des Drehkörpers von 3.75 μm folgt.
Die Bestimmung der Distanz des Drehkörpers 2 zum Detektorelement 3 bzw. der Detektoranordnung ist hierbei auch unabhängig von den anderen Verfahrensteilen möglich, d.h. insbesondere auch ohne die Separation der verschiedenen Einflussgrössen. Damit kann dieser Ansatz auch unabhängig vom erfindungsgemässen Verfahren zum Einsatz kommen.
Es versteht sich, dass diese dargestellten Figuren nur Beispiele möglicher Ausführungsformen schematisch darstellen. In den Darstellungen wurden weitere elektronische Steuer- und Versorgungsanteile sowie Montagekomponenten lediglich aus Gründen der Anschaulichkeit nicht dargestellt.

Claims

PatentanSprüche
1. Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer
Einflussgrösse auf die Exzentrizität in einem Winkelmesser mit
• einem Trägerelement (1) mit einer Detektoranordnung aus wenigstens einem optischen Detektorelement (3) , vorzugsweise drei oder vier optischen Detektorelementen (3), wobei die Detektoranordnung ein Detektorzentrum (DZ) aufweist,
• einem Drehkörper (2) mit einer Vielzahl um ein Musterzentrum (MZ) angeordneter Musterelemente (6), wobei der Drehkörper (2) gegenüber dem Trägerelement
(1) um eine Achse (4) rotierbar angeordnet ist, und mit
- einem Abbilden von wenigstens einem Teil der Musterelemente (6) auf die Detektoranordnung,
- einem Auflösen der Positionen der auf der Detektoranordnung abgebildeten Musterelemente (6), - einem Messen der Exzentrizität des Musterzentrums
(MZ) relativ zum Detektorzentrum (DZ), dadurch gekennzeichnet:, dass
• eine Vielzahl von Exzentrizitätsmessungen für unterschiedliche Drehlagen erfolgt und • aus der Vielzahl von Exzentrizitätsmessungen wenigstens eine Einflussgrösse der Exzentrizität separiert wird, insbesondere durch Aggregatbildung .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflussgrössen der aktuellen Exzentrizität durch eine Fourier-Zerlegung separiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine musterspezifische Einflussgrösse mit einer der vollen Rotation des Drehkörpers (2) entsprechenden Periodizität als Teilungsfehler separiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert aus der Vielzahl von
Exzentrizitätsmessungen gebildet wird, insbesondere ein gleitender Mittelwert.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage des aktuellen Drehpunkts des Drehkörpers (2) bezüglich des Detektorzentrums (DZ) als translatorische Lagerverschiebung bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Veränderung der Lage des aktuellen Drehpunkts bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Drehkörpers (2) oder die Lage von Musterelementen (6) des Drehkörpers (2) in axialer Richtung anhand des Projektionsmassstabs der Musterelemente (6) auf die Detektoranordnung bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage von Musterelementen (6) des Drehkörpers (2) in axialer Richtung auf die Detektoranordnung bestimmt wird, wobei die Detektoranordnung wenigstens zwei Detektorelemente (3) aufweist, und aus der Lage eine Verkippung der Achse (4) abgeleitet wird.
9. Computerprogramm-Produkt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist oder durch eine elektromagnetische Trägerwelle verkörpert ist, mit einem Programmcode-Segment zur Durchführung wenigstens eines der Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
PCT/EP2007/010574 2007-01-09 2007-12-06 Verfahren zur bestimmung einer einflussgrösse auf die exzentrizität in einem winkelmesser WO2008083797A1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/522,198 US8031334B2 (en) 2007-01-09 2007-12-06 Method for determining an influencing variable acting on the eccentricity in a goniometer
BRPI0720883-9A BRPI0720883B1 (pt) 2007-01-09 2007-12-06 Método para a determinação de uma variável influenciadora atuando na excentridade em um goniômetro
CN2007800495125A CN101583851B (zh) 2007-01-09 2007-12-06 用于确定在角度测量仪中导致偏心度的作用变量的方法
AU2007343360A AU2007343360B2 (en) 2007-01-09 2007-12-06 Method for determining an influencing variable acting on the eccentricity in a goniometer
EP07847004.4A EP2108105B1 (de) 2007-01-09 2007-12-06 Verfahren zur bestimmung einer einflussgrösse auf die exzentrizität in einem winkelmesser
CA2673857A CA2673857C (en) 2007-01-09 2007-12-06 Method for determining an influencing variable acting on the eccentricity in a goniometer

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07100296.8 2007-01-09
EP07100296A EP1944582A1 (de) 2007-01-09 2007-01-09 Verfahren zur bestimmuing einer einflussgrosse auf die exzentrizitat in einem wineklmesser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2008083797A1 true WO2008083797A1 (de) 2008-07-17
WO2008083797A8 WO2008083797A8 (de) 2009-11-12

Family

ID=38283233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/010574 WO2008083797A1 (de) 2007-01-09 2007-12-06 Verfahren zur bestimmung einer einflussgrösse auf die exzentrizität in einem winkelmesser

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8031334B2 (de)
EP (2) EP1944582A1 (de)
CN (1) CN101583851B (de)
AU (1) AU2007343360B2 (de)
BR (1) BRPI0720883B1 (de)
CA (1) CA2673857C (de)
WO (1) WO2008083797A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011117171A1 (de) 2010-03-26 2011-09-29 Leica Geosystems Ag Messverfahren für eine oberflächenvermessende messmaschine
EP2498076A1 (de) 2011-03-11 2012-09-12 Hexagon Technology Center GmbH Verschleissüberwachung einer Schaltung in einer Stromstation
EP2824426A1 (de) 2013-07-09 2015-01-14 Leica Geosystems AG Kapazitiver Drehlagengeber

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2163859A1 (de) * 2008-09-12 2010-03-17 Leica Geosystems AG Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Positionen
CA2780584C (en) * 2009-11-26 2016-01-05 Leica Geosystems Ag Calibration method and angle measuring method for an angle measuring device, and angle measuring device
DE112011101696T5 (de) 2010-05-17 2013-04-11 Faro Technologies, Inc. Selbstkompensierender Winkelcodierer
DE102010063521B4 (de) * 2010-12-20 2013-07-18 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Ermitteln einer Lageänderung der Rotationsachse eines rotierenden Körpers innerhalb der Rotationsebene
EP2729763A1 (de) 2011-07-08 2014-05-14 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH Korrektur und/oder vermeidung von fehlern bei der messung von koordinaten eines werkstücks
CN103827637B (zh) * 2011-07-08 2016-02-24 卡尔蔡司工业测量技术有限公司 旋转装置的校准和运行、尤其是用于使坐标测量仪的探触头和/或探触件旋转的旋转装置的校准和运行
EP2607847B1 (de) 2011-12-19 2017-02-01 Kabushiki Kaisha TOPCON Drehwinkelerkennungsvorrichtung und Überwachungsinstrument
JP6055179B2 (ja) * 2011-12-19 2016-12-27 株式会社トプコン 回転角検出装置及び測量装置
DE102012207656A1 (de) * 2012-05-08 2013-11-14 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung und Verfahren zum Betreiben der Positionsmesseinrichtung
DE102012222997A1 (de) * 2012-12-13 2014-07-03 Siemens Aktiengesellschaft Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator
DE102015201583B4 (de) 2015-01-29 2018-07-26 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren zur Ermittlung eines auf eine Drehvorrichtung einwirkenden Moments oder einer auf eine Drehvorrichtung einwirkenden Kraft
EP3139132B1 (de) 2015-09-03 2020-02-19 Hexagon Technology Center GmbH Flächen-absolutcodierung
CN109737912B (zh) * 2019-03-21 2021-04-02 博奥生物集团有限公司 一种偏心检测方法和偏心检测装置
CN110355610B (zh) * 2019-05-28 2020-12-11 大连理工大学 一种螺旋铣孔装置的接触式实时偏心量检测方法
CN110355609B (zh) * 2019-05-28 2020-12-11 大连理工大学 一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法
CN110030933B (zh) * 2019-05-28 2020-04-28 杭州琼网计算机网络有限公司 基于电阻率变化原理的光学定心偏离检测装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19907326A1 (de) * 1999-02-20 2000-08-24 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Winkelmeßsystem
US20010013765A1 (en) * 1999-12-28 2001-08-16 Shinji Yamamoto Optical rotary encoder and motor control apparatus
EP1632754A1 (de) * 2004-09-03 2006-03-08 Leica Geosystems AG Verfahren und Vorrichtung zum genauen Bestimmen eines Drehwinkels

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH658514A5 (de) 1982-02-09 1986-11-14 Wild Heerbrugg Ag Verfahren und vorrichtung zur erfassung einer messgroesse.
DE4401238C2 (de) * 1994-01-18 1995-10-26 Bmt Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von exzentrischen Teilen eines Meßobjekts
US6215119B1 (en) * 1999-01-19 2001-04-10 Xerox Corporation Dual sensor encoder to counter eccentricity errors
JP4481137B2 (ja) * 2003-11-13 2010-06-16 アスモ株式会社 モータ、回転制御装置、及び回転検出回路

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19907326A1 (de) * 1999-02-20 2000-08-24 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Winkelmeßsystem
US20010013765A1 (en) * 1999-12-28 2001-08-16 Shinji Yamamoto Optical rotary encoder and motor control apparatus
EP1632754A1 (de) * 2004-09-03 2006-03-08 Leica Geosystems AG Verfahren und Vorrichtung zum genauen Bestimmen eines Drehwinkels

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011117171A1 (de) 2010-03-26 2011-09-29 Leica Geosystems Ag Messverfahren für eine oberflächenvermessende messmaschine
EP2372302A1 (de) 2010-03-26 2011-10-05 Leica Geosystems AG Messverfahren für eine oberflächenvermessende Messmaschine
US11454499B2 (en) 2010-03-26 2022-09-27 Leica Geosystems Ag Measurement method for a surface-measuring measuring machine
US11796314B2 (en) 2010-03-26 2023-10-24 Leica Geosystems Ag Measurement method for a surface-measuring measuring machine
EP2498076A1 (de) 2011-03-11 2012-09-12 Hexagon Technology Center GmbH Verschleissüberwachung einer Schaltung in einer Stromstation
WO2012123351A1 (en) 2011-03-11 2012-09-20 Hexagon Technology Center Gmbh Wear-monitoring of a gearbox in a power station
US9915585B2 (en) 2011-03-11 2018-03-13 Hexagon Technology Center Gmbh Wear-monitoring of a gearbox in a power station
EP2824426A1 (de) 2013-07-09 2015-01-14 Leica Geosystems AG Kapazitiver Drehlagengeber
US9441990B2 (en) 2013-07-09 2016-09-13 Leica Geosystems Ag Capacitive rotary position encoder

Also Published As

Publication number Publication date
AU2007343360A1 (en) 2008-07-17
EP2108105A1 (de) 2009-10-14
CA2673857C (en) 2013-04-02
CN101583851A (zh) 2009-11-18
US8031334B2 (en) 2011-10-04
US20100039656A1 (en) 2010-02-18
BRPI0720883B1 (pt) 2019-05-14
CA2673857A1 (en) 2008-07-17
CN101583851B (zh) 2011-10-26
EP1944582A1 (de) 2008-07-16
AU2007343360B2 (en) 2011-09-22
BRPI0720883A2 (pt) 2014-03-25
EP2108105B1 (de) 2020-05-20
WO2008083797A8 (de) 2009-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2108105B1 (de) Verfahren zur bestimmung einer einflussgrösse auf die exzentrizität in einem winkelmesser
EP2729768B1 (de) Kalibrierung und betrieb von drehvorrichtungen, insbesondere zum drehen von tastköpfen und/oder tastern von koordinatenmessgeräten
EP2093537B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Ausrichtung von zwei drehbar gelagerten Maschinenteilen
EP2834595B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum reduzieren von fehlern einer drehvorrichtung bei der bestimmung von koordinaten eines werkstücks oder bei der bearbeitung eines werkstücks
EP1488191B1 (de) Verfahren zur bestimmung und korrektur von führungsfehlern bei einem koordinatenmessgerät
EP2920544A1 (de) Optische messverfahren und messvorrichtung mit einem messkopf zum erfassen einer oberflachentopographie mittels kalibrierung der orientierung des messkopfs
DE112006003663T5 (de) Drehkodierer
DE102015201583B4 (de) Verfahren zur Ermittlung eines auf eine Drehvorrichtung einwirkenden Moments oder einer auf eine Drehvorrichtung einwirkenden Kraft
DE2429455A1 (de) Elektro-optisches abtastsystem zum abmessen von abmessungen
EP2372302A1 (de) Messverfahren für eine oberflächenvermessende Messmaschine
WO2020221818A1 (de) Zahnradprüfverfahren und -einrichtung
EP2115695A1 (de) Verfahren zur bestimmung der güte eines messpunktes, insbesondere bei der kantenortbestimmung, sowie optisches präzisionsmessgerät
EP1724548B1 (de) Positionsmessgerät
DE3801413A1 (de) Rundheitsnormal
EP0457200B1 (de) Verfahren zur Messung von Winkeln und Winkelkennlinien mit Hilfe eines Kreisels
DE4419050A1 (de) Positionsmessvorrichtung
DE10030479B4 (de) Linearmaßstabs-Messgerät und Positionserfassungsverfahren unter Anwendung desselben
EP0514726B1 (de) Verfahren zur Berücksichtigung von Lageabweichungen der Kurbelzapfen einer Kurbelwelle beim Auswuchten und Vorrichtung hierzu
DE3002736C2 (de) Anordnung zur Messung der vertikalen Verformung von Informationsträgern
DE4402401A1 (de) Winkelmeßeinrichtung mit mehreren Abtaststellen
DE3309951C2 (de) Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät mit berührungsloser Abtastung eines oder mehrerer am Meßobjekt angebrachter Meßgitter
AT400688B (de) Manuell gesteuerte drehmaschine
DE19642521C1 (de) Verfahren und Anordnung zur maßlichen Prüfung von Parallelendmaßen
EP4158277A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur vermessung eines messobjektes
DE102015201582A1 (de) Ermittlung und Korrektur eines Fehlers einer Drehvorrichtung für ein Koordinatenmessgerät

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200780049512.5

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07847004

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007847004

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007343360

Country of ref document: AU

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2673857

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12522198

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2007343360

Country of ref document: AU

Date of ref document: 20071206

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: PI0720883

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20090707