DE3413855A1

DE3413855A1 - Verfahren zum auswerten von messsignalen, die durch abtastung eines inkrementalmassstabes mit einer abtasteinheit erhalten werden und messeinrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3413855A1
Application number: DE19843413855
Authority: DE
Inventors: Heinz Pantaleon Rieder; Max Ostermiething Schwaiger; Harald Dipl.-Ing. St. Michael Swatek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-12
Filing date: 1984-04-12
Publication date: 1985-10-17
Also published as: CH666348A5; FR2563907A1; FR2563907B1

Description

Heinz Rieder

St. Pantaleon, Österreich
Max Schwaiger
Ostermiething, Österreich

Verfahren zum Auswerten von Meßsignalen, die durch Abtastung eines Inkrementalmaßstabes mit einer Abtasteinheit erhalten werden und Meßeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von Meßsignalen, die durch Abtastung eines Inkrementalmaßstabes mit einer Abtasteinheit erhalten werden, nach dem einleitenden Teil des Patentanspruches 1.

Die Erfindung betrifft auch eine Meßeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem einleitenden Teil des Patentanspruches 11.

Verfahren und Meßeinrichtungen der gegenständlichen Art sollen das Auflösungsvermögen und die Anzeigegenauigkeit bei der Inkrementalmessung, insbesondere von Längen und Winkeln verbessern. Ursprünglich konnte bei der Abtastung einer Inkrementalteilung pro abgetasteter aus jeweils einem Hell- und einem Dunkelfeld bestehender Teilungseinheit nur eine beschränkte Anzahl von Signalen erzeugt werden, wobei grundsätzlich nur Zählsignale erzeugt und zur Steuerung eines Vor- Rückwärtszählers oder einer vergleichbaren Einheit, beispielsweise eines Rechners, dem Vorwärts- und Rückwärtszählsignale zugeführt werden und der die Differenz von zwei Zählerständen bildet, verwendet wurden. Triggert man die Nulldurchgänge von zwei analogen in ihrer Grundform sinusförmigen und um 90* gegeneinander versetzten Meßsignalen, so erhält man pro Teilungseinheit vier Zählsignale. Durch Vervielfacherschaltungen, insbesondere Potentiometerschaltungen, kann man aus den beiden phasenverschobenen Analogsignalen mehrere Analogsignale gewinnen

und deren Nulldurchgang triggern. in der Praxis hat man so pro Maßstabeinheit bis zu zwanzig Zählsignale erzeugt. Es ergibt sich ein großer Schaltungsaufwand. Jedes Signal ist ein Zählsignal und es müssen daher Zähler mit sehr hoher Zählfrequenz verwendet werden, um zu in der Praxis brauchbaren hohen Abtastgeschwindigkeiten des Maßstabes zu gelangen.

Bereits aus der US-PS 3 618 073 ist es bekannt, aus ihren Verlauf periodisch ändernden Signalspannungen durch Digitalisierung und Verwendung eines Rechners mit Interpolationstabelle Interpolationswerte zu errechnen und so praktisch eine beliebige Unterteilung der Maßstabeinheiten vorzunehmen, wobei die erhaltenen Interpolationswerte unmittelbar einer Anzeige- oder Auswerteeinheit zugeführt werden können.

Nach einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird sowohl ein über die getriggerten Analogsignale gesteuerter Zähler als auch ein über einen AD/Wandler mit wenigstens einem Analogsignal entsprechenden Digitalwerten beaufschlagter Rechner verwendet, der auch mit den Zählsignalen beaufschlagt werden kann. Die Zählsignale und die vom Rechner errechneten Interpolationswerte werden einer gemeinsamen Anzeige zugeführt, wobei eine Möglichkeit darin besteht, die beiden letzten Anzeigestellen für die Anzeige der Interpolationswerte und die übrigen Anzeigestellen für die Anzeige des Zählerstandes einzusetzen. Der Rechner erfüllt die Zusatzaufgabe, die Zählsignale und die Interpolationswerte einander eindeutig zuzuordnen.

Eine sehr feinstufige Unterteilung durch Interpolation ist nur dann sinnvoll, wenn die Feinstufigkeit der Anzeige der tatsächlich vorhandenen Meßgenauigkeit entspricht. Bei der Meßgenauigkeit ist zwischen der Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung an sich und der Meßgenauigkeit beim Einsatz der Meßeinrichtung an einer Maschine od. dgl. zu unterscheiden. Bei bekannten Meßeinrichtungen wird nur die Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung selbst berück-

sichtigt. Diese kann von verschiedenen Faktoren beeinflußt werden. Bei aufeinanderfolgenden Signalzügen können schon im Analogsignal Relativabweichungen auftreten, die bei relativ gleicher Stellung der Abtasteinheit zu den beiden Maßstabeinheiten zu verschiedenen Anzeigen führen können, da sich unterschiedliche Digitalwerte für gleiche Relativstellungen der Abtasteinheiten ergeben. Bei längeren Maßstäben kann es über die Länge zu periodischen Abweichungen in Signalverlauf und -form kommen. Änderungen der Signalform können auch durch Alterung, Änderungen der Relativlagen von Abtasteinheit und Maßstab und durch äußere Einflüsse, z. B. Verschmutzung des Maßstabes auftreten. Bisher ist man bestrebt, einen Teil der möglichen Fehler durch eine möglichst exakte Führung der Abtasteinheit am Maßstab klein zu halten und zum Ausgleich der verbleibenden Fehler Korrekturen vorzusehen. Man geht bisher grundsätzlich davon aus, schon die Analogsignale zu korrigieren, so daß dem AD/Wandler korrigierte Analogsignale einer bestimmten Form zugeführt werden. Man muß zu diesem Zweck Zwischenspeicherungen, Umformungen und weitere Beeinflussungen des Signalverlaufes der an der Abtasteinheit erhaltenen Analogsignale vornehmen, um bei den dem AD/Wandler zugeführten Signalen etwa gleiche Signalformen, gleiche Signalamplituden, gleiche oder keine Gleichspannungsanteile und schließlich gleiche Phasenabstände zu erhalten. Bei einer bekannten Meßeinrichtung werden Gleichspannungsdetektoren zur Ermittlung der Gleichspannungsanteile, Amplitudendetektoren zur Ermittlung der Amplitudenhöhen und Phasenvergleicher zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen den beiden phasenversetzten, bei der Abtastung des Maßstabes erhaltenen Analogsignalen vorgesehen. Die an diesen Detektoren bzw. Vergleichern bei einer vollständigen Abtastung des gesamten Maßstabes ermittelbaren Korrekturwerte gegenüber einem vorgegebenen Idealverlauf der Analogsignale werden digitalisiert und gespeichert, wobei bei den später folgenden tatsächlichen Messungen zu dem jeweils von jedem abgetasteten Inkrement erhaltenen Signal

ein gespeicherter Korrekturwert abgerufen und erst das um den Korrekturwert korrigierte Signal der Interpolationsberechnung unterzogen wird. Nachteilig ist hier, daß man jedem Inkrement des Maßstabes Speicherplätze zuordnen muß und Maßstababtastung und Adressensuche im Korrekturspeicher zu synchronisieren sind. Es ergibt sich dadurch ein sehr großer schaltungstechnischer Aufwand und die Meßeinrichtung wird deshalb und auch wegen möglicher Fehlsynchronisierungen beim Abruf der den einzelnen Maßstabinkrementen zugeordneten Speicher störungsanfällig. Wegen der Vielzahl der benötigten Korrekturspeicherplatze muß ein aufwendiger Rechner eingesetzt werden. An sich müßte man die vollständige Korrekturabtastung des Maßstabes mit Speicherung der Korrekturwerte vor jedem Meßvorgang vornehmen. Auch dadurch würden nur die durch Alterung und Änderung der Relativlagen der Abtasteinheit zum Maßstab und die durch die Verschmutzung bedingten Fehler berücksichtigt. Unberücksichtigt bliebe trotzdem, daß in der Praxis beispielsweise bei Messungen an Werkzeugmaschinen bei unbelasteter oder stillgesetzter Maschine die Korrekturabtastung erfolgt, wogegen die Messung bei oder nach Belastungen der Maschinen und gegebenenfalls bei mit der Abtasteinheit verbundenem, im Einsatz befindlichem Werkzeug vor sich geht. Systematische Meßfehler, die daraus entstehen, daß in den meisten Fällen nicht die genaue Messung am Maßstab interessiert, sondern genau die Relativlagen eines Werkzeuges zu einem Werkstück zu finden sind, können nicht berücksichtigt bzw. verhindert werden. Bei solchen Messungen können, da der Maßstab nur der eigentlichen Meßstrecke zugeordnet ist, Abweichungen beim Verlauf der Meßstrecke, beim Verlauf des Maßstabes (Aparallelitäten) und auch Abweichungen der Ist-Position eines entlang der MeQ-strecke verstellbaren Teiles, beispielsweise eines Werkzeuges, dessen Position zu bestimmen ist, gegenüber einer Soll-Position zum Maßstab bei der jeweiligen Stellung der Abtasteinheit auftreten.

Teilungsfehler des Inkrementalmaßstabes wurden schon

dadurch berücksichtigt, daß man ihn und einen Eichmaßstab parallel abtastet und in einem Festwertspeicher eine Korrekturtabelle für die Abweichungen speichert, wobei die Einzelplätze des Festwertspeichers beim Meßvorgang wieder synchron mit der Maßstabtastung angesprochen und bei der Interpolationsberechnung die Korrekturwerte berücksichtigt werden. Es ergibt sich wieder das Problem der genauen Synchronisierung. Alterungs- und Verlagerungsfehler können nicht berücksichtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung des Verfahrens und der Meßeinrichtung der eingangs genannten Art mit dem Ziel, den Anlageaufwand bei gleichzeitiger Herabsetzung der Störempfindlichkeit und Erzielung einer hohen Genauigkeit zu reduzieren.

Die gestellte Aufgabe wird prinzipiell durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die im Nachhinein äußerst einfache erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Schluß, daß unmittelbar aufeinanderfolgende, bei der Abtastung aufeinanderfolgender Maßstabinkremente erhaltene Signale praktisch immer ähnlich oder ident sein werden. Man kann daher mit den aus einem Signalzug erhaltenen Werten den Rechner kalibrieren und die Interpolationsberechnung der folgenden Signalzüge unter Berücksichtigung der bei der Kalibrierung festgelegten Korrekturwerte vornehmen, so daß praktisch der Berechnung ein idealer Signalverlauf zugrunde gelegt wird.

Im Rechner kann man eine Kalibrierung theoretisch mit jedem Signalzug vornehmen. Hier wäre sogar nach einer Möglichkeit eine Verzögerung der Analogsignale möglich, so daß ein Signalzug schon mit dem durch ihn selbst kalibrierten Rechner verarbeitet wird. In der Praxis genügt es aber, für fast alle vorkommenden Fälle, die Kalibrierung des Rechners nur unterhalb einer bestimmten Abtastgeschwindigkeit oder periodisch vorzunehmen. Vorwiegend werden für die Kalibrierung die Maxima und Minima der Analogsignale verwendet.

Man kann auch eine Kalibrierung des Rechners mit einer einen vollständigen Signalzug der Meßsignale entsprechenden Folge von Digitalwerten vornehmen.

Eine Kalibrierung ist vor jeder Messung oder als Bestandteil der jeweiligen Messung möglich. Eine Meßstrecke ergibt sich jeweils als Summe aus den zurückgelegten vollständigen Signalzügen und den Signalzugbruchteilen. Die Signalzüge können über eigene Zähler oder über zählerähnliche Einrichtungen im Rechner erfaßt werden. Für die Signalzugbruchteile wird die Interpolationsberechnung vorgenommen. Wird der Rechner erst während der Messung kalibriert, kann man die vor dem ersten vollständigen Signalzug auftretenden Signalzugbruchteile speichern und erst nach der Kalibrierung vom Speicher in die Berechnung abrufen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren müssen die Analogsignale vor der Digitalisierung nicht immer korrigiert werden. Dies ermöglicht in weiterer Folge Maßnahmen, die bei bekannten Verfahren vom System her ausgeschlossen sind. Man kann nämlich nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens von der Überlegung ausgehen, daß bestimmte Abweichungen in der Signalform von einem Idealverlauf mit einem möglichen systematischen Meßfehler verknüpft sein können. Änderungen der relativen Phasenlage der Signale und ihrer Gleichspannungsanteile können mit geringen Schrägstellungen der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab zusammenhängen. Aus diesen Erkenntnissen kann man die Verfahrensschritte nach den Ansprüchen 9 und 10 vorsehen und damit Abweichungen des Verlaufes einer Meßstrecke vom Verlauf des Maßstabes usw. berücksichtigen. Die bisher bei diesen Messungen auftretenden Fehler waren wesentlich größer als die bei der Interpolatiosberechnung möglichen Fehler und konnten sogar in der Größenordnung einiger Zählschritte liegen. Es wäre auch möglich, die erwähnten Abweichungen mit Hilfe eigener Fühler zu erfassen.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des

Patentanspruches 11. Die Unteransprüche 12 und 13 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Meßeinrichtung an.

Unteranspruch 14 kennzeichnet eine Meßeinrichtung, bei der die Ausnützung von in Signalanderungen enthaltenen und durch Signalabweichungen ausdrückbaren Informationen möglich ist. Nimmt man an, daß im einfachsten Fall die beiden dort erwähnten Gitter gegengleich geneigt sind, so ergibt sich in den ihnen zugeordneten Ableseeinheiten in der Normalstellung gegenüber dem Maßstab eine bestimmte Phasenlage und ein bestimmter Gleichspannungsanteil bei den erzeugten Signalen. Wird die Ableseeinheit verkantet, so kommen die Rasterstriche des einen Gitters näher zur Parallellage mit den Teilungsstrichen des Maßstabes und gleichzeitig nimmt die Neigung der Rasterstriche des anderen Gitters gegenüber den Teilungsstrichen des Maßstabes zu. Der Gleichspannungsanteil in jenem Signal, das über das sich der Parallellage zum Maßstab nähernde Gitter erzeugt wird, wird abnehmen und die Signalamplitude wird zunehmen. Bei dem über das andere Gitter erzeugten Signal wird mit zunehmender Neigung zum Maßstab der Gleichspannungsanteil zu - und die Signalamplitude abnehmen. Schon daraus kann die Neigungsrichtung und die exakte Neigung bestimmt werden. Es ändert sich auch die relative Phasenlage der beiden Signale. Bei den meisten Meßeinrichtungen wird mit vier Gittern gearbeitet, wobei die den Gittern zugeordneten Empfänger paarweise in Antiparallelschaltung verbunden sind. Stehen vier Gitter zur Verfugung, kann man bei entsprechender Gitteranordnung aus der Signalform und -lage eine noch genauere Aussage über all fällige Verkantungen erzielen. Lageänderungen der Abtasteinheit quer zur Meßrichtung könnten auch über eigene Abtastspuren und zugeordnete Abtastableseeinheiten festgestellt werden. Die Abweichungen können bei der Interpolationsberechnung aber auch dazu benützt werden, um die Messung nicht auf den Maßstab, sondern auf eine Meßstrecke oder einen entlang der Meßstrecke verstellbaren Teil zu beziehen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung im Blockschaltschema und

Fig. 2 einen möglichen Signalverlauf von bei der Abtastung erhaltenen Analogsignalen und daraus berechneten normierten Signalen, die der Interpolationsberechnung zugrundegelegt werden.

Beim Ausführungsbeispiel wurde ein Linearmaßstab dargestellt, der eine Inkrementalteilung aufweist. Es könnte auch auf einem bogen- oder kreisförmigen Träger eine inkrementale Winkelteilung vorgesehen sein. Zur Abtastung des Maßstabes 1 wird eine Abtasteinheit 2 vorgesehen. Bei einer optoelektronischen Abtastung enthält die Abtasteinheit 2 Beleuchtungseinrichtungen für den Maßstab, Abtastgitter mit der Maßstabteilung entsprechender Teilung, die gegeneinander zusätzlich zu ihrem Versatz um mehrere ganze Teilungsinkremente auch um im voraus genau bestimmte Bruchteile der Maßstabteilung versetzt sind, und lichtempfindliche Sensoren beispielsweise Phototransistoren die bei der Relativverstellung der Abtasteinheit 2 gegenüber dem Maßstab 1 ihrer Beleuchtungsänderung durch das zugeordnete Gitter entsprechende Signale erzeugen. Diese Signale sin a, cos a werden in weiterer Folge als analoge Meßsignale bezeichnet. Beim Ausführungbeispiel wird angenommen, daß zwei in ihrer Grundform sinusförmige Signalzüge erzeugt werden, deren Signallänge einer aus einem Hell- und Dunkel feld bestehenden Maßstabeinheit entspricht und die gegeneinander um einen Sollwert von 90* phasenverschoben sind.

Die Meßsignale sin a, cos a werden auf Leitungen 3, 4 gelegt und schließlich über einen Rechner 5 ausgewertet, dem eine Anzeige- oder Steuereinheit 6 nachgeordnet ist.

Der Rechner 5 erhält einerseits über eine Leitung 7 Zähl- oder Synchronisiersignale und wird anderseits von einem AD/Wandler 8 her mit Digitalwerten beaufschlagt.

Für die Erzeugung der dem Rechner 5 über die Leitung

zuzuführenden Zähl- oder Synchronisiersignale werden die auf den Leitungen 3, 4, liegenden analogen Meßsignale über Komperatoren bzw. Triggerstufen 9, 10 jeweils beim Nulldurchgang in Rechtecksignale umgewandelt, die an einen Richtungsdiskriminator 11 gelegt werden, der daraus, welches der beiden auf den Leitungen 3, 4, liegenden Signale sin a, cos a dem anderen voreilt, die jeweilige Verstellrichtung der Abtasteinheit 2 gegenüber dem Maßstab 1 bestimmt, also als Richtungserkennungsstufe dient und auf eine Leitung 12 ein Richtungssignal legt. Beim Ausführungsbeispiel wird dieses Richtungssignal zur Steuerung eines Vor- Rückwärtszählers verwendet, dem auch das eine der umgeformten Meßsignale zugeführt wird, so daß er entsprechend den Flanken des Rechtecksignales zählt, wobei die Zählrichtung über die Leitung 12 eingesteuert wird und der Zählerstand ein ganzzahliges Vielfaches des in Inkrementen ausgedrückten Abstandes des jeweiligen Meßpunktes von einem Bezugspunkt, bei dem der Zähler auf Null stand bzw. der vorige Zählerwert erfaßt wurde, ist. Die Zählsignale werden auf die Leitung 7 gelegt. Bei entsprechender Organisation des Rechners 5 sind auch Ausführungen möglich, bei denen der Rechner 5 nur Richtungserkennungsignale erhält oder sogar Zähler und Richtungserkennungsstufe in den Rechner integriert sind. Hier können zwei gegengleich geschaltete Zähleinrichtungen verwendet werden, von denen die eine nur bei der Verstellrichtung vorwärts und die andere nur bei der Verstellrichtung rückwärts zählt, wobei der Rechner die Zählerstände periodisch abfragt und aus ihnen den zurückgelegten Weg in vollen Inkrementen berechnet. Der andere Extremfall besteht darin, über einen Vor- Rückwärtszähler 13 einen Teil der Anzeige 6 unmittelbar zu steuern, über die Zählsignale nur eine Synchronisierung des Rechners 5 vorzunehmen und den Rechner nur für die Interpolationsberechnung von Teilungsinkrementen auszunützen.

Beim Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß der Rechner 5 über die Leitung 7 mit den Zählsignalen beauf-

schlagt wird.

Zur Verringerung des Schaltungsaufwandes und um insbesondere mit nur einem AD/Wandler 8 das Auslangen zu finden, wird beim Ausführungsbeispiel ein Multiplexer 14, also praktisch ein elektronischer Umschalter verwendet. Dieser Multiplexer 14 erhält vom Rechner 5 über eine Leitung 15 Steuerbefehle und verbindet entsprechend diesen Befehlen seine Eingänge 16 bis 19 mit einem zum AD/Wandler 8 führenden Ausgang 20. Die Eingänge 16 und 17 liegen an Maxima-Minima-Detektoren 21, 22, die an die Leitungen 3, 4, anschlieSen, wogegen die Eingänge 18 und 19 unmittelbar mit den Leitungen 3, 4 verbunden sind, also mit den analogen Meßsignalen sin a, cos a beaufschlagt werden. Am Multiplexer 14 bzw. AD/Wandler 8 können wie üblich, Latch-and-Hold-Einrichtungen vorgesehen werden und der AD/Wandler wird mit Vorspeichern versehen.

Am AD/Wandler liegen beim Einschalten des Systems über die Eingänge 18, 19 zugeführte analoge Meßsignale sin a, cos a an, die der momentanen Stellung der Abtasteinheit über der Meßteilung des Maßstabes 1 entsprechen und deren jeweilige Größe dem Ausmaß der Abdeckung der Inkremente der Meßteilung durch die Gitterinkremente der Ablesegitter entspricht. Die jeweiligen Werte sin a, cos a werden digitalisiert und in einen Speicher des Rechners 5 eingegeben. Beim weiteren Meßverlauf werden, so ferne eine Verstellung der Abtasteinheit 2 um wenigstens ein Doppelinkrement erfolgt ist, die Maxima und Minima sin max, sin min, cos max, cos min, der auf den Leitungen 3, 4 liegenden analogen Meßsignale sin a, cos a über die Detektoren 21, 22 erfaßt und über den Multiplexer 14 dem AD/Wandler 8 und damit dem Rechner 5 zugeführt. Der Rechner wird durch diese Werte, beispielsweise wie dies noch im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wird, kalibriert und berechnet Korrekturwerte für einen Sollverlauf der Meßsignale. Nach der Kalibrierung ist der Rechner 5 in der Lage, jedem ihm zu-

geführten an den Eingängen 18, 19 anliegenden, momentanen, analogen Meßsignalwert sin a, cos a, der im AD/Wandler digitalisiert wird, einen entsprechenden Wert am idealen Signalverlauf zuzuordnen und nach diesem Wert die Interpolationsberechnung vorzunehmen.

Bei der weiteren Messung werden die analogen Signale sin a, cos a aus den Leitungen 3, 4, über die Eingänge 18 und 19 des Multiplexers nacheinander auf den AD/Wandler abgefragt. Die zugeordneten Digitalwerte werden dem Rechner zugeführt und in diesem, soweit erforderlich, entsprechend der Kalibrierung umgerechnet. Bei einer Mindestverstellge schwindigkeit (Abtastgeschwindigkeit) werden ferner entweder im Abfragetakt des Rechners 5 oder in Abhängigkeit von der Abtastgeschwindigkeit immer wieder vollständige Signalzüge sin a, cos a bzw. ihre Maxima- und Minimawerte neu abgefragt und für die neuerliche Kalibrierung bzw. Nachkalibrierung des Rechners 5 herangezogen. Aus den Zählsignalen, die über die Leitung 7 zugeführt werden und die im Extremfall nur der Synchronisierung zu dienen brauchen und den auf den Sollverlauf umgerechneten digitalisierten Meßsignalen wird im Rechner 5 die Ist-Position berechnet und der Anzeige 6 zugeführt. Bei der Interpolationsberechnung erfolgt die Unterteilung des Maßstabes in kleinere Einheiten, beispielsweise in Mikrometer und Zehntelmikrometer. Zur genauen Positionsbestimmung ist es an sich nur nötig, die zwischen Meßbeginn und Meßende liegenden, vollen Maßstabteilstücke zu erfassen und die Bruchteile der Maßstabteilung vor dem ersten vollen Teilstück - bezogen auf das analoge Meßsignal sin a, cos a, - vor dem ersten Nulldurchgang oder, bezogen auf das der Korrekturberechnung unterzogene Signal vor dem ersten Nulldurchgang bzw. den ersten Maxima oder Minima des korrigierten Signales und ab dem letzten charakteristischen Punkt (Nulldurchgang usw.) des Signales zu erfassen und der Interpolationsberechnung zu unterziehen. Aus dem zu Beginn der Messung festgehaltenen Speicherwert wird zu diesem Zweck über den kalibrierten Rechner ein Korrekturwert abgerufen

wobei der diesem Korrektur wert zugeordnete Abstand vom ersten charakteristischen Punkt des korrigierten Signales berechnet wird. Dieser einem Teilungsbruchteil entsprechende Abstand der aus dem Inkrementalbruchteil nach dem letzen charakteristischen Wert des korrigierten Signales durch Interpolationsberechnung bestimmte Wert sowie die festgehaltene Summe der Anzahl der Null- Maxima- oder Minima-Durchgänge wird im Rechner 5 zum endgültigen Anzeigeergebnis verknüpft.

Die dargestellte Schaltung stellt eine Sparschaltung dar. Es wäre auch möglich, beide analoge Meßsignale sin a, cos a über an die Leitungen 3,4 anschließende AD/Wandler zu führen und die Digitalwerte gleich auf den Rechner 5 zu legen. Dabei würde der Rechner nicht mit den Maxima- und Minimawerten sin max, sin min, cos max, cos min allein, sondern jeweils mit dem ersten anfallenden vollständigen Signalzug der analogen Meßsignale - natürlich in digitalisierter Form - kalibriert. Wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben werden wird, wird im Rechner eine Korrektur der Signale bezüglich der gegenseitigen Phasenlage, der Gleichspannungsanteile und des jeweiligen Verlaufes vorgenommen. Man kann darüber hinaus bei der Berechnung Änderungen der Phasenlage und der Gleichspannungsanteile der Signale sin a, cos a berechnen, wobei diese Änderungen als Maß für die Verstellung der Abtasteinheit 2 gegenüber einer Sollage zum Maßstab 1 Berücksichtigung finden können. Ist die Abtasteinheit 2 mit einem Werkzeug verbunden und gibt man in den Rechner 5 den Abstand des Werkzeugeingriffspunktes vom Maßstab ein, kann man ein Vor- oder Nacheilen des Werkzeugeingriff spunktes gegenüber dem Abtastpunkt der Abtasteinheit nach der Änderung der Gleichspannungsanteile und der Phasenlage der Meßsignale ermitteln und im Bedarfsfall an der Anzeige gleich die echte Position des Eingriffspunktes und ' nicht die Meßposition, die das durch Belastung auftretende Vor- bzw. Nacheilen des Werkzeuges nicht berücksichtigt, darstellen. Auch ein schräger Verlauf des Maßstabes gegenüber einer Meßstrecke kann kompensiert werden.

Die Normierung der Signale auf einen korrigierten Sollverlauf soll an Hand der Fig. 2 der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser Fig. 2 sind übereinander in vereinfachter Darstellungsweise jeweils ein bei der Abtastung des Inkrementalmaßstabes 1 tatsächlich erhaltenes Sinussignal sin a und ein gegenüber diesem Sinussignal sin a phasenverschobenes Cosinussignal cos a sowie darunter die aus diesen Signalen im Rechner 5 gewonnenen und der Berechnung zugrundegelegten korrigierten Signale sin_Na . cos_Na dargestellt.

Der in Fig. 2 oben dargestellte tatsächliche Verlauf der Signale sin a, cos a gibt folgendes Bild:

Das aus der Abtastung des Inkrementalmaßstabes 1 erhaltene Sinussignal sin a hat einen Gleichspannungspegel DC sin, dergegenüber dem erwünschten Nullpegel um einen bestimmten Wert verschoben ist. Beim Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß auch die tatsächlichen Amplituden des Sinus- und Cosinussignales sin a, cos a verschieden sind, wobei das Cosinussignal cos a einen negativen Gleichspannungspegel DC cos enthält.

Für die Interpolationsberechnung sind die beiden Signale sin a, cos a ohne sonstige Maßnahmen nicht brauchbar. Zur Erzielung brauchbarer, auf eine bestimmte Amplitudenhöhe normierter Signale sin..a, cos^a (Fig. 2 unten) wird wie folgt vorgegangen:

Durch Spitzendetektion werden zunächst die Maximal- und Minimalwerte sin max, sin min, cos max, cos min des Sinus- und Cosinussignales, bezogen auf die Nullinie detektiert. Der Gleichspannungspegel der beiden Signale läßt sich wie folgt berechnen:

/ -~ ,s . sin max. + sin min. (offset) sin. = ~

^DC(offset) cos =

(I)

Die mittlere Amplitudenhöhe bzw. die tatsächliche, auf die um den DC-Anteil versetzte Nullinie bezogene Amplitudenhöhe A , , A der beiden Signale sin a, cos a ergibt sich wie folgt:

η sin max. - sin min.
^Hsin ⁼ 2

^Acos

(II) cos max. - cos min.

In (I) und (II) ist vorzeichenrichtig zu rechnen, d. h.

im Zähler scheint in (I) die Differenz und in (II) die Summe der Absolutwerte der jeweiligen Maxima und Minima auf.

Die nächste Korrekturstufe besteht darin, das anstehende Sinus- bzw. Cosinussignal sin a, cos a auf die Normalamplitudenhöhe A_n (Fig.2 unten) zu bringen, d. h. diese Normalamplitudenhöhe aus der tatsächlichen Amplitudenhöhe zu berechnen. Um dies zu ermöglichen, werden für das anstehende Signal Korrekturfaktoren (k . bzw. k ) nach

^aII L· U ο

den Formeln	^{= k}sin
^AN	^kcos
^Asin
^AN
^Acos

(III)

berechnet, in welchen Formeln A_n die für beide Signale gleich angenommene Normalamplitudenhöhe (Maximalwert)

bedeutet.

Aus obigen Überlegungen kann nun im Rechner eine Normierung des Eingangssignales sin a, cos a in zwei Schritten vorge-

nommen werden. Im ersten Schritt wird der Gleichstrompegel (DC ~r. ,) eliminiert, so daß die in Fig. 2 oben dargestellten Sinus- bzw. Cosinussignale sin a, cos a rechnerisch um den jeweiligen Gleichspannungsanteil versetzt werden, also auf die Normalnullinie bezogensind. Um dies zu erreichen, wird das anstehende Sinus- bzw. Cosinussignal sin a, cos a (also nicht mehr die detektierten Maximalwerte) im Rechner mit dem jeweiligen Gleichspannungspegel DC_sin, DC verknüpft. Es ergeben sich dann vom Gleichspannungspegel befreite, berechnete Signale sin a und cos a nach der Formel

sin a = sin a - DC .

(IV)

cos a = cos a - DC

Im zweiten Schritt wird die Normierung auf die Normalamplitude nach der Formel

sin_N a = sin a χ

(V)

cos_N a = cos a χ k_CQS

berechnet.

Beim Betrieb der Meßeinrichtung wird angenommen, daß die Normierung für eine Reihe von aufeinanderfolgenden Signalzügen des gleichen Signales sin a, cos a gleichbleiben kann d. h., daß sich DC-Pegel DC -_n und DC_CQS und Korrekturfaktoren k - , k nicht ändern. Das Rechnerprogramm kann so

5 J.M L* Ub

gewählt werden, daß der Rechner 5 immer dann, wenn die Abtastgeschwindigkeit des Maßstabes 1 unter einen bestimmten Wert sinkt, neue an den Detektoren anstehende Spitzenwerte erfaßt und daraus die DC-Pegel DC . , DC und die Korrekturwerte für die folgenden Korrekturen neu berechnet.

Für die Interpolationsberechnung werden vorteilhaft jene Bereiche der Meßsignale sin a, cos a bzw. der normierten Meßsignale sin^a, cos».a herangezogen, in denen diese einen möglichst linearen Verlauf besitzen. Es ist daher vorteilhaft, soferne man keine brauchbaren Dreieckssignale an Stelle der Sinus- und Cosinussignale zur Verfügung hat, jeweils nur bestimmte Bereiche des Signalverlaufes für die Interpolationsberechnung heranzuziehen. Dazu werden, vereinfacht ausgedrückt, zu jedem möglichen Absolutwert des normierten Sinus-bzw. Cosinussignales in einer Interpolationstabelle des Rechnerspeichers oder eines angeschlossenen Speichers Interpolationswerte gespeichert.

Der "mögliche" Absolutwert wird, wie erwähnt, im Bereich des linearen Verlaufes des Sinus- bzw. Cosinussignales erfaßt. Der Rechner 5 wird zusätzlich durch die sich beim Nulldurchgang der normierten Signale erfaßbaren Taktsignale gesteuert. Eine "Länge" ergibt sich aus der Summe der genannten beim Nulldurchgang ausgetriggerten Taktsignale und der über die Anzahl der Taktsignale hinaus erfaßten Signalfragmente, die der Interpolationsberechnung aufgrund des Momentanwertes des jeweiligen Signales unterzogen werden. Über die "Taktsignale" kann man auch eine Umschaltung vornehmen, in der für die Interpolationsberechnung vom Sinus- auf das Cosinussignal (sin_N bzw. cos_N) und umgekehrt umgeschaltet wird. Die Interpolationstabelle kann für die Interpolation nach sin_N bzw. cos_N gleichbleiben. Durch die bei den Nulldurchgängen erfaßten Taktsignale wird der jeweilige Modus der Interpolationsberechnung vorbestimmt. Bezogen auf das Signal kann die Interpolationsberechnung (Fig. 2 unten) von 0 bis 45* dem sin^-Signal dann von 45 bis 135* dem cos_N-Signal von 135 bis 225* wieder dem sin_N-Signal usw. folgen.

Den obigen Ausführungen liegt die Annahme zugrunde, daß die Signalform bei der Meßeinrichtung erhalten bleibt. Oben wurde auch angenommen, daß die Phasenverschiebung von sin_Na und cos_Na 90* beträgt.

Um auch eine Phasenverschiebung der Signale, also Abweichungen von der beim Ausführungsbeispiel 90" betragenden Phasenverschiebung ausgleichen zu können, ist eine weitere Korrekturstufe vorgesehen. Diese umfaßt vom Rechner 5 gesteuerte Latch-and-Hold-Einrichtungen für die beiden Signale. Diese werden vom Rechner 5 in seinem Arbeitstakt aktiviert und halten den momentan anstehenden Wert der Signale sin_Na bzw. cos_Na fest. Eines der beiden Signale wird als Leitsignal angenommen. Nimmt man sin^a als Leitsignal, dann wird - über den Rechner gesteuert - in der Interpolationstabelle nachgesucht, welchem Signalbereich der momentan anstehende Wert entspricht. Beispielsweise wird ein Wert ermittelt, der sin..a von 48° entspricht. Gleichzeitig wird auch für cos..a der Tabellenwert ermittelt. Es möge sich ein cos_Na von 56* ergeben. Dies bedeutet, daß das cos^a-Signal dem Sollverlauf von 90* um 8* voreilt. Die ermittelte Abweichung wird gespeichert. Bei der Interpolation nach dem cos_Na-Signal wird in der Interpolationstabelle um den Korrekturwert versetzt ausgelesen, d. h. es wird eine Korrektur vorgenommen, die bewirkt, daß beim Ausführungsbeispiel für einen Interpolationswert, der cos_Na von 56* zuzuordnen ist, der {56' - 8 * = 48') dem auf richtige Phasenlage korrigierten Signal zugeordnete Tabellenplatz aufgesucht wird. In der Praxis genügt es, wenn entsprechende Korrekturberechnungen nur bis zu einer bestimmten Höchstabtastgeschwindigkeit und auch nur dann vorgenommen werden, wenn, bedingt durch den Rechnertakt, nur bestimmte Bereiche der Signale, beispielsweise sin_Na 45* +_ 15* erfaßt werden. Durch diese Voraussetzungen wird der gesamte Aufwand wesentlich verringert, ohne daß die Genauigkeit im Endeffekt leidet. Auch die Normierung der Signale wird mit ausreichender Genauigkeit nur periodisch bzw. nur bis zu einer bestimmten Mindesabtastgeschwindigkeit des Maßstabes vorgenommen.

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Claims

Patentansprüche:

Verfahren zum Auswerten von Meßsignalen, die durch Abtastung eines Inkrementalmaßstabes mit einer Abtasteinheit erhalten werden, wobei wenigstens zwei analoge, in ihrer Grundform sinusförmige und gegeneinander phasenverschobene Signale mit der Meßteilung des Inkrementalmaßstabes entsprechender Signallänge erzeugt und diese Meßsignale über einen Rechner ausgewertet werden, der eine Anzeige- bzw. Auswerteeinheit steuert, wobei für die Auswertung einerseits das Meßsignal einer Richtungserkennungsstufe zur Bestimmung der Zählrichtung und zur Erzeugung eines entsprechenden Steuersignales zugeleitet und anderseits die Meßsignale auf wenigstens einen AD/Wandler gelegt werden, wobei dem Rechner sowohl das Richtungssignal als auch die am AD/Wandler anstehenden Digitalwerte zugeführt werden, so daß das Meßergebnis als Summe aus dem sich aus den durchlaufenen vollen Signalzügen der Meßsignale ergebenden Teilwert und einem sich durch Interpolationsberechnung der Signalwertbruchteile aus den anstehenden Digitalwerten ergebenden Teilwert erhalten wird, wobei für die Interpolationsberechnung Korrekturen zur Berücksichtigung von Änderungen im Signalverlauf bei an verschiedenen Meßteilungsinkrementen erzeugten Signalteilen zumindest bezüglich der Amplitudenhöhe, der Gleichspannungsanteile und der Phasendifferenz vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) selbst zur Durchführung entsprechend korrigierter Berechnungen mit bestimmten Bereichen eines bei der Abtastung erhaltenen vollständigen Signalzuges der Analogsignale (sin a, cos a) entsprechenden

Digital werten auf die Korrektur dieser und weiterer Signalfolgen kalibriert wird, so daß er aus den ihm zugeführten weiteren Signalen bzw. Digitalwerten einen korrigierten Sollverlauf (sin,.a, cos.,a) der Signale berechnet und nach diesem die Interpolationsberechnung vornimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) jeweils unterhalb einer vorgewählten Abtastgrenzgeschwindigkeit kalibriert wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) periodisch kalibriert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) mit dem Maximum (sin max cos max) des jeweils ersten vollständigen Signalzuges der zugeführten Meßsignale (sin a, cos a) bzw. Digitalwerte kalibriert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Rechners (5) aus den Maximal- und Minimalwerten (sin max, sin min, cos max, cos min) die Gleichspannungsanteile (^DC _si_n> ^DC _COs^ ^^eT ^s^Q^na^^e (^s*^{n a} cos a) berechnet und für die weitere Signalverarbeitung eliminiert werden und für die nun von dem Gleichspannungsanteil befreiten Signale (sin a , cos a ) Korrekturfaktoren (k . , k ) die eine normierte Signalhöhe bestimmen ermittelt und

bei der Interpolationsberechnung berücksichtigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei den gegeneinander phasenverschobenen Signalen (sin a, cos a) Abweichungen der Phasenverschiebung der normierten Signale (sin^a, cos^a) von einer Soll-Verschiebung erfaßt und bei der Interpolationsberechnung berücksichtigt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) mit einer je einem vollständigen Signalzug (sin a, cos a) der analogen Meßsignale entsprechenden Folge von Digital werten kalibriert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vor dem Einlangen der dem ersten vollständigen Signalzug entsprechenden Digitalwerte anstehenden, einem abgestatetem Meßteilungsbruchteil zugeordneten Digitalwerte gespeichert und über die Kalibrierung abgerufen werden, so daß sie in dem der Auswerteeinheit zugeführten Ergebnis in korrigierter Form berücksichtigt sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Meßergebnisses auf eine Meßstrecke bezogen wird, der der Maßstab (1) zugeordnet ist, wobei Abweichungen des Verlaufes der Meßstrecke vom Verlauf des Maßstabes und/oder der Ist-Position eines entlang der Meßstrecke verstellbaren Teiles, dessen Position zu bestimmen ist, gegenüber einer Sollposition bei der jeweiligen Stellung der Abtasteinheit (2) am Maßstab (1) erfaßt und aus ihnen dem Rechner zugeführte Korrekturwerte bestimmt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (2) mit dem entlang der Meßstrecke verstellbaren Teil gekuppelt und quer zur Maßstablängsrichtung zumindest in der Abtastebene verstellbar angebracht wird, so daß sie zumindest teilweise einem vom Maßstab (1) abweichenden Verlauf der Meßstrecke folgen kann, wobei Änderungen der Gleichspannungsanteile (DC -_n, DC _) ^der Meßsignale (sin a, cos a) und/oder ihrer Phasenlage im Rechner (5) als Maß für diese Abweichung berücksichtigt bzw. erfaßt und dem Rechner als Korrekturwert eingegeben werden.
11. Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Auswerteeinheit für wenigstens zwei mittels einer Abtasteinheit bei der Relativverstellung gegenüber einem Inkrementalmaßstab erzeugte, analoge, gegeneinander phasenverschobene und in ihrer Grundform sinusförmige Meßsignale, bei denen ein vollständiger Signalzug einem abgestatetem Teilungspaar auf der Inkremental teilung entspricht, wobei die Auswerteeinheit für die analogen Signale einerseits eine Richtungserkennungsstufe

sowie eine Umformer- bzw. Triggerstufe zur Erzeugung von insbesondere beim Nulldurchgang der Signale getriggerten Zählsignalen und anderseits wenigstens einen AD/Wandler aufweist und ein Rechner vorgesehen ist, der mit dem AD/Wandler, der Richtungserkennungsstufe und der Umformerbzw. Triggerstufe verbunden ist und der aus anstehenden Digitalwerten entsprechend der jeweiligen Zwischenstellung der Abtasteinheit Interpolationswerte für die Zählsignale errechnet und entsprechend dem momentanen Zähl- bzw. Interpolationswert eine Anzeige- bzw. Auswerteeinheit steuert, wobei dem Rechner wenigstens eine Korrekturstufe zur Berücksichtigung von Änderungen im Signalverlauf der an verschiedenen Meßteilungsinkrementen erzeugten Signalteile zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturstufe als Bestandteil des Rechners (5) ausgebildet und jeweils über bestimmten Bereichen eines vollständigen Signalzuges der bei der Abtastung mittels der Abtasteinheit (2) erhaltenen Analogsignale entsprechende Digitalwerte kalibrierbar ist, so daß der Rechner bei der Auswertung und Interpolationsberechnung folgender Signalzüge entsprechend dieser Kalibrierung korrigiert.
12. Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) für die Kalibrierung über den AD/Wandler mit an den analogen Meßsignalen liegenden Maxima-Minima-Detektoren (21, 22) verbindbar ist.
13. Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Speichereinrichtung des Rechners (5) als Vorspeicher für vor dem bzw. den ersten vollständigen Signalzügen anstehende, einen abgetasteten Teilungsbruchteil der Meßteilung am Maßstab (1) repräsentierende Digitalwerte geschaltet ist, der über eine Abfrageeinheit über die kalibrierte Korrekturstufe abrufbar ist.

IA. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einem Strichgittermaßstab und einer wenigstens zwei Ablesegitter mit entsprechender Teilung aufweisenden Ablese-

einheit zur Erzeugung der phasenverschobenen, analogen Meßsignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableseeinheit (2) in der Abtastebene quer zur Meßrichtung gegenüber dem Maßstab (1) begrenzt verstellbar angebracht ist und die Ablesegitter gegeneinander geneigt (aparallel) sind, so daß bei der Abtastung des Maßstabes auftretende Änderungen der Phasenlage und/oder der Gleichspannungsanteile der analogen Meßsignale als Maß für eine Querverstellung oder Verschwenkung der Ableseeinheit gegenüber dem Maßstab erfaßbar sind.