DIGITAL ELECTRICAL LENGTH OR ANGLE MEASURING SYSTEM

Abstract: 1. Digital, electric length or angle measuring system having a periodically structured graduation, a scanning device scanning this graduation by reciprocal relative movement, an interpolation device (Z) for the formation of intermediate values (J) from the scanning signals periodically delivered by the scanning device and a device (K) for the electronic correction of the scanning signals, a correction-value memory (S) for previously determined correction values (C) being connected to the correction device (K), and an evaluation stage (A), characterised by the following features : a) the scanning signals are supplied uncorrected to the interpolation device (Z) ; b) connected to the output of the interpolation device (Z) is the correction device (K), into which the intermediate values (J) are fed ; c) connected to the output of the correction device (K) is the evaluation stage (A), into which the intermediate values (J), submitted in each case to an individual correction value, are fed as corrected measured values.

Description: Korrekturverfahren bei digitalen elektrischen Längen- oder Winkelmesseinrichtungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Korrekturverfahren bei digitalen elektrischen Längen- oder Winkelmesseinrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Einrichtungen werden beispielsweise als Positionsanzeigen für bewegliche Bauteile oder in Verbindung mit numerischen Steuerungen benutzt. Unter digitalen elektrischen Längen- oder Winkelmesseinrichtungen sind gemäss der Norm Messeinrichtungen zu verstehen, die einer Messgrösse eine Ausgangsgrösse zuordnen, die eine mit fest gegebenem kleinsten Schritt quantisierte, zahlenmässige Darstellung der Messgrösse ist. Die Messsignalerzeugung ist dabei durch unterschiedliche Methoden der Teilungsabtastung möglich. Man unterscheidet photoelektrische, induktive, magnetische und kapazitive Abtastprinzipien. Bei digital-inkrementalen Messeinrichtungen ist die Messteilung stets periodisch strukturiert; bei digital-absoluten Messeinrichtungen - zumindest bei denen höherer Auflösung - trifft dies für die feinste Spur zu. Bei inkrementalen Messeinrichtungen sind die einzelnen Teilungsinkremente nicht unterscheidbar. Die Längenmessung basiert auf dem fortlaufenden Addieren der Zählinkremente, die beim Durchfahren der Messstrecke vom Anfangspunkt zum Endpunkt auftreten. Die mit Hilfe eines Aufnehmers von einer Massverkörperung abgeleiteten Signale sind der Teilung entsprechend periodisch, wobei sie innerhalb einer Periode praktisch immer analog sind (so dass insbesondere ein inkrementales Messsystem als Aneinanderreihung einer Anzahl von Analog-Messbereichen aufgefasst werden kann). Es ist üblich, mit Hilfe der periodischen Signale die Analog-Messbereiche in eine bestimmte Anzahl von Digitalschritten zu unterteilen. Es sind zahlreiche Korrekturverfahren bei digitalen elektrischen Längen- oder Winkelmesseinrichtungen bekannt. Man unterscheidet grundsätzlich die mechanischen und die elektronischen Korrekturmethoden. Mechanische Korrektureinrichtungen sind einem ver änderten Fehlerverlauf nur schwer anzupassen. Sie sind mechanisch aufwendig herzustellen und daher im allgemeinen gross und kostspielig. Aus der DE-PS 16 38 032 ist eine elektronische Fehlerkorrektureinrichtung bekannt. Dort wird vorgeschlagen, bestimmte - durch Vorabvermessung ermittelte - Korrekturwerte in einem Speicher abzu speichern. Ein elektronischer Digitalrechner ist derart programmiert, dass die im Speicher enthaltenen Korrekturwerte an bestimmten verschiedenen Stellungen des beweglichen Bauteiles den Messwerten überlagert werden. Bei dem heutigen Stand der Technik wird als Rechner ein Mikroprozessor und als Speicher ein Festwertspeicher eingesetzt. Um eine derartige Korrekturmethode auch bei inkrementalen Messeinrichtungen sinnvoll anwenden zu können, wird in den deutschen Patentschriften DE-PS 27 32 909 (Anspruch 3) und DE-PS 27 32 954 (Anspruch 6) vorgeschlagen, die Korrekturpositionen absolut festzulegen, so dass in jedem Falle eine richtige Zuordnung der Korrekturwerte zu den Korrek turpositionen gewährleistet ist. In der DE-OS 27 29 697 ist ferner vorgeschlagen worden, die zu interpolierenden Signale - die durch die Abtastung der periodischen Teilung gewonnen werden - auf Fehler wie Gleichspannungsanteil, Amplitudenschwankung und Phasendifferenz zu untersuchen. Die ermittelten Abweichungen werden als digitale Korrekturwerte in einem Speicher zur Korrektur der digitalisierten Abtastsignale gespeichert. Die digitalisierten und korrigierten Abtastsignale werden anschliessend in einem Digitalrechner interpoliert, um so bei der Messeinrichtung eine höhere Auflösung zu erzielen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln durch Interpolation eine hochauflösende Messeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der auch die aus den unveränderten periodischen Abtastsignalen gebildeten Interpolationswerte praktisch fehlerfrei sind. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensmassnahmen gelöst. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Massnahmen entnimmt man den Unteransprüchen. Besondere Vorteile der erfindungsgemässen Interpolationsfehlerkorrektur liegen darin, dass alle Fehlerparameter im Rahmen der Referenzmessgenauigkeit bei der Korrektur berücksichtigt werden, und dass die Anzahl der einzelnen Unterteilungskorrekturen der geforderten Messsystemgenauigkeit und dem vertretbaren technologischen und wirtschaftlichen Aufwand relativ einfach angepasst werden kann. Eine besonders vorteilhafte Korrekturmethode besteht in der Überlagerung der bekannten elektronischen Fehlerkorrektur gemäss DE-PS 16 38 032 und der erfindungsgemässen Interpolationsfehlerkorrektur. Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt Figur 1: Ein Blockschaltbild einer Messein richtung die gemäss der Erfindung betrieben wird. Figur 2: Ein Blockschaltbild einer Ein richtung zur Fehlererfassung und Korrektur. Figur 3: Den Verlauf einer Interpolations fehlerkurve innerhalb einer Teilungsperiode. Figur 4: Den Verlauf einer Fehlerkurve über mehrere Teilungsperioden mit überlagertem periodischen Fehler. Das Blockschaltbild in Figur 1 zeigt eine digitale elektrische Messeinrichtung mit herkömmlichen Bau steinen, die um eine digitale elektronische Korrek tureinrichtung ergänzt ist. Das erfindungsgemässe Verfahren wird bevorzugt bei inkrementalen Messeinrichtungen angewandt. Bei inkrementalen Messeinrichtungen ist es üblich, zur Messung von Längen oder Winkeln zwei phasenver setzte Signale zu erzeugen. Bei Abtastung einer periodisch strukturierten Teilung werden durch räum lich versetzte Abtastgitter mindestens zwei Abtast signale erzeugt, die um 900 phasenverschoben sind. Aus dieser Phasenverschiebung lässt sich die Be wegungsrichtung der Abtasteinrichtung gegenüber der Teilung ermitteln. Diese Abtastsignale haben - bei gewissen geometri schen Zusammenhängen zwischen Teilung und Abtast einrichtung - etwa sinusförmigen bzw. cosinusförmi gen Verlauf und die gleiche Periodizität wie die Teilung (die Messsignalperiode entspricht dabei dem Teilungsraster). Die Teilungskonstanten sind hin sichtlich ihrer Auflösung physikalisch und techno logisch nicht ohne weiteres zu verkleinern. Daher wird die angestrebte erhöhte Auflösung im allgemeinen durch elektronische Unterteilung (Interpolation) der ortsabhängigen Messsignale erreicht. Hierzu ist eine Interpolationseinrichtung zur Zwischenwertbildung erforderlich, in der die durch die Teilung festgelegten Weg- oder Winkelschritte in kleinere, untereinander gleichgrosse Schritte unterteilt werden. Die eingangs beschriebene elektronische Korrektureinrichtung bei einer Interpolationseinrichtung (DE-OS 27 29 697) verringert Fehleranteile, indem sie die analogen Abtastsignale zumindest auf drei Fehlerparameter untersucht (Gleichspannungsanteil, Amplitudenschwankung, Phasenfehler) und die ermittelten Fehler durch Korrekturwerte in digitaler Form den dann bereits ins Digitale gewandelten Abtastsignalen überlagert, und erst diese korrigierten und digitalisierten Signale interpoliert. Gemäss Figur 1 werden aus den vom Messsystem M gelieferten Messsignalen in einem Interpolator Z Zwischenwerte J jeweils aus den vollen Signalperioden gebildet. In einem Speicher S sind diesen Zwischenwerten J zugeordnete Korrekturwerte C gespeichert. Der Speicher S ist zweckmässig ein Festwertspeicher (ROM, PROM, PLA). Die Zwischenwerte J werden in eine Korrektureinrichtung K eingegeben, wo sie mit den Korrekturwerten C aus dem Speicher S überlagert werden. Die Zuordnung der Korrekturwerte C zu den Zwischenwerten J erfolgt mittels eines nicht darge stellten Digitalrechners in der Korrektureinrichtung K. Der Ausgang der Korrektureinrichtung K ist an eine Auswertestufe A geschaltet, die aus einer Anzeigevorrichtung oder einer Steuereinrichtung bestehen kann. Dort sind die korrigierten Messwerte verfügbar. Die Elemente M, S und K können auch zur Korrektur systematischer Fehler (z.B. Perioden-Fehler) für bestimmte Punkte des Messbereiches gemäss DE-PS 16 38 032 herangezogen werden. Hierzu ist eine elektrische Verbindung zwischen den Elementen M und K erforderlich, die gestrichelt dargestellt ist. In Figur 2 ist schematisch dargestellt, wie die Korrekturwerte C ermittelt und verarbeitet werden können. Mit dem MesssystemM ist ein hochgenaues Referenzmess- system RM in geeigneter Weise gekoppelt. Beim Messvorgang werden in beiden Messsystemen M und RM Messsignale erzeugt. Zur Erhöhung der Auflösung werden aus den Messsignalen des Messsystemes M in einem Interpolator Z Zwischenwerte J erzeugt. Diese Zwischenwerte J werden zum einen einer Korrektureinrichtung K und zum anderen einer Vergleichereinrichtung (Komparator V) zugeführt. Die Messsignale des Referenzmesssystems RM (z.B. ein Laserinterferometer) werden ebenfalls dem Komparator V sowie einer Referenzanzeigevorrichtung RA zugeführt. Im Komparator V werden die vom Messsystem M gelieferten Zwischenwerte J mit den hochgenauen Messwerten des Referenzmesssystems RM verglichen und im Falle einer Abweichung wird die Differenz als Korrekturwert C vorzeichenrichtig in einem Speicher S abgespeichert. Aus diesem Speicher S gelangen die Korrekturwerte C in die Korrektureinrichtung K, wo sie den zugehörigen Zwischenwerten J überlagert werden. Ein in der Korrektureinrichtung K vorgesehener, nicht dargestellter Rechner ist dabei so organisiert, dass die eingespeicherten Korrekturwerte C in der richtigen Reihenfolge und in der jeweils richtigen Position aus dem elektronischen Speicher S ausgelesen und rechnerisch berücksichtigt werden. Auf diese Weise werden die Interpolationswerte kalibriert. Die Korrektureinrichtung K speist eine Anzeigevorrichtung A, in der nun die korrigierten Messwerte ablesbar sind. Bei ordnungsgemässem Ablauf muss die Anzeige A des Messsystems M mit der Referenzanzeige RA des Referenzmesssystems RM übereinstimmen. In Figur 3 ist dargestellt, welchen Verlauf eine Fehierkurve innerhalb einer Teilungsperiode haben könnte. Die Pfeile C1 bis C10 stellen dabei die Korrekturwerte für die Interpolationswerte J1 bis J10 dar. Weiterhin besteht die Möglichkeit, nicht jedem Zwischenwert einen individuellen Korrekturwert zuzuordnen, da das bei Gitterkonstanten von beispielsweise 10m in einer lichtelektrischen inkrementalen Messeinrichtung zu sehr vielen Speicherplätzen führen wErde. Vielmehr wird zweckmässigerweise ein mittlerer Unterteilungsfehler abschnittsweise oder für den gesamten Messbereich bestimmt und kompensiert. In Figur 4 ist eine Fehlerkurve dargestellt, bei der den Periodenfehlern die Unterteilungsfehler überlagert sind. Es ist erkennbar, dass sich über mehrere Teilungsperioden TP auch der Unterteilungs- fehler verändert. Hier kann jeweils abschnittsweise über mehrere Teilungsperioden TP der mittlere Unterteilungsfehler ermittelt werden. Es wird danach ein mittlerer Korrekturwert C ermittelt, mit dem ausgewählte Zwischenwerte der jeweiligen Periodengruppe k x TP beaufschlagt werden. Im übrigen können für bestimmte Unterteilungswerte die Korrekturen ermittelt und unmittelbar berücksichtigt werden, während für die übrigen Unterteilungswerte die Korrekturwerte durch Interpolation der benachbarten vorab bestimmten Korrekturwerte ermittelt werden. Die Ermittlung der Fehler erfolgt am rationellsten im Verlaufe einer Eichmessung im Rahmen der Qualitäts-Kontrolle für die Messeinrichtung. Andererseits ist auch eine permanente Kalibrierung denkbar, wenn die Verfahrgeschwindigkeit des zu messenden Objektes exakt gleichförmig ist und die Verfahrgeschwindigkeit von einem präzisen Zeitglied kontrolliert wird. Der Messweg ist ein Produkt aus Verfahrgeschwindigkeit und Zeit, so dass bei entsprechender Genauigkeit dieser Faktoren die jewei lige Position bestimmt und mit dem zugehörigen durch Interpolation gebildeten Zwischenwert verglichen werden kann. Sich bei diesem Vergleich ergebende Abweichungen werden als Korrekturwerte in der oben beschriebenen Weise den zugehörigen Zwischenwerten überlagert. Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch beliebige andere Positionen entlang der Verfahrstrecke auf diese Weise zu bestimmen und den Messwerten die zu zugehörigen Korrekturwerte zuzuordnen.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren bei einer digitalen elektrischen Län gen- oder Winkelmesseinrichtung mit periodisch strukturierter Teilung, einer diese Teilung ab tastenden Abtasteinrichtung, einer Interpolations einrichtung zur Bildung von Zwischenwerten aus den von der Abtasteinrichtung gelieferten perio dischen Abtastsignalen und einer Einrichtung zur elektronischen Korrektur von Messwerten, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Einrichtung (K) zur Messwertkorrektur zumindest einer der durch In terpolation einer Teilungsperiode (TP) gebilde ten Zwischenwerte (J} mit einem vorab ermittel ten Korrekturwert (C) beaufschlagt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ausgewählte Zwischenwerte (J1 . nt je-, weils abschnittsweise über mehrere Teilungs perioden (k x TP) der mittlere Interpolations fehler (F) ermittelt wird, und der dem Interpo lationsfehler (F) entsprechende mittlere Korrek turwert (C) dem zugehörigen vorab ausgewählten Zwischenwert (J) zugeordnet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählten Zwischenwerten l .. n) bestimmte Korrekturwerte (C1 .. n > zugeordnet sind, dass Korrekturwerte (CA K) K für weitere Zwischen werte (JA .. K) durch Interpolation der vorab bestimmten Korrekturwerte (C1 n) n ermittelt werden und die weiteren Zwischenwerte (JA K) mit den durch die Interpolation gewonnenen Korrekturwerten (CA .. K) beaufschlagt werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorab erstellte Fehlertabelle in einem elektronischen Speicher (S) gespeichert ist und dass jedem Zwischenwert (J) ein Korrekturwert (C) der Fehlertabelle fest zugeordnet ist. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Korrektur der Messwerte in elektronischen Speichern (S) Korrekturwerte (B1 .. n' n) n) sowohl für Messwerte der vollen Teilungsperioden (TP) als auch für durch Inter polation der Teilungsperioden (TP) gebildete Zwischenwerte (J1 . n) enthält und dass den Mess- werten die zugeordneten Korrekturwerte (B1 1 .. n > überlagert werden. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Korrekturwerte (C1 n n und B1 n) vorab in einer Eichmessung ermittelt und in einem Speicher (S) abgespeichert werden. 7. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die abgespeicherten Korrekturwerte (C1..n und B1..n) im MeBbetrieb automatisch .. n und B1 .. n im Messbetrieb automatisch nach der Ermittlung der Zwischenwerte (J1 n) diesen überlagert werden. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die MeSwertkorrektur unter Heranziehung eines Zeitgebers durch eine permanente Kalibrierung der Zwischenwerte (J) erfolgt, wobei permanent durch Vergleich der aus dem Produkt von Verfahrgeschwindigkeit und Zeit festgelegten Position mit den momentanen durch Interpolation gebildeten Zwischenwerten (J1 .. n) der je weilige Korrekturwert (C1 . n) ermittelt wird.

Inventors: MILLER, WALTER, DR.
Applicants: DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH
Application year: 1981
Main classification: G01D3
IPC codes: G01D3, G01D18