DE3417015C2

DE3417015C2 - Interpolationsverfahren

Info

Publication number: DE3417015C2
Application number: DE19843417015
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. Preibisch; Norbert Dr.-Ing. 8000 München Sebald; Hans-Georg Prof.-Dr. Stäblein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-09
Filing date: 1984-05-09
Publication date: 1986-03-13
Also published as: DE3417015A1

Description

a) zumindest ein Teil der Meßlänge der Teilung (T) des Teilungsträgers (M) wird vor der eigentlichen Positionsmessung von der Abtasteinheit (7ψ abgetastet,

b) in konstanten Zeinbständer. werden die momentanen Amplituden der wenigstens zwei von der Abtasteinheit (A) erzeugten periodischen Analogsignale (St, S₂) ermittelt,

c) aus den momentanen Amplituden der wenigstens zwei periodischen Analogsignale (St, S₂) werden mit Hilfe von numerischen Auswerteverfahren die Periodendauern der einzelnen Perioden der periodischen Analogsignale (Si, Sz) ermittelt und die momentanen Amplituden einer einheitlichen Periode zugeordnet,

d) aus den dieser einheitlichen Periode zugeordneten Amplitudenwerten der periodischen Analogsignale (S\, S₂) werden gemitteite Signalformen (Si. S₂) der periodischen Analogsignale (S₁, S₂) ermittelt,

e) die gemittelten Analogsignale (St, S₂) werden in digitaler Form in einem Speicher (SP)der Interpolationseinrichtung (I) in einer Interpolationstabelle in Form von gemittelten Tabellen abgespeichert,

f) bei der eigentlichen Positionsmessung werden die von der Abtasteinheit (A) erzeugten wenigstens zwei periodischen Analogsignale (St, S₂) in der Interpolationseinrichtung (I) digitalisiert und die Digitalwerte zur Zuordnung zur Interpolationstabelle bezüglich der gemittelten Tabellen normiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Normierung der Digitalwerte der periodischen Analogsignale (Si, S₂) von einem Digitalrechner (R) der Interpolationseinrichtung (I) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalrechner (R) eine Zuordnung der Positionsmeßwerte der vollen Signalperioden zu den interpolierten Po.sitionsmeüwerten innerhalb der Signalperioden bewirkt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Interpolieren von positionsabhängigen periodischen Analogsignalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer lichtelektrischen inkrementalen Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte (beispielsweise Bett und Schlitten einer Werkzeugmaschine) wird die Teilung eines Teilungsträgers, der mit dem einen Objekt verbunden ist, von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinheit abgetastet. Die Abtasteinheit weist zu diesem Zweck eine Beleuchtungseinheit, eine Abtastplatte mit beispielsweise zwei Teilungsfeldern auf, deren Teilungen um ein Viertel der Teilungsperiode der Teilung des Teilungsträgers zueinander versetzt sind und mit dieser Teilung exakt übereinstimmen, sowie zwei diesen Teilungsfeldern zugeordnete Photoelemente auf. Die gleichartigen Teilungen des Teilungsträgers und der Abtastplattc können beispielsweise beim Durchlichtmeßverfahren aus lichtdurchlässigen und lichtundurchiässigen Streifen bestehen, die in Meßrichtung alternierend aufeinander folgen. Der Lichtstrom der Beleuchtungseinheit, der die Teilungen des Teilungsträgers und die Abtastplatte durchsetzt und anschließend auf die beiden Photoelemente fällt, wird bei der Relativbewegung der zu messenden Objekte an diesen Teilungen moduliert, so daß die beiden, jeweils einem Teilungsfeld zugeordneten Photoelemente zwei sinusförmige elektrische Analogsignale liefern, die um ein Viertel der Teilungsperiode der Teilung des Teiiungsträgers zueinander phasenversei/t sind. Diese periodischen Analogsignale werden einer Auswerteeinrichtung zur Bildung von Positionsmeßwerten zugeführt; der Phasenversatz zwischen den beiden periodischen Analogsignalen erlaubt die Diskriminierung der Meßrichtung.

Die Periode der gewonnenen Analogsignale wird durch die Teilungsperiode (Gitterkonstante) der Teilung des Teilungsträgers bestimmt. Die Teilungsperiode wird durch die identischen Breiten eines lichtdurchlässigen Streifens und eines lichtundurchlässigen Streifens in Meßrichtung gebildet. Bei der Relativbewegung zwischen der Abtastehiheit und dem Teilungsträger wird jede abgetastete Teilungsperiode der Teilung des Teilungsträgers durch einen Zählimpuls in der Auswerteeinrichtung erfaßt und kann als Positionsmeßwert einer Steuerungseinrichtung oder einer Anzeigeeinheit zugeführt werden.
Im Zuge steigender Anforderungen an die Meßgenauigkeit derartiger Positionsmeßeinrichtungen, insbesondere für den Einsatz bei Bearbeitungsmaschinen, war man bestrebt, die durch die Teilungsperiode (Gitterkonstante) der Teilung des Teilungsträgers bestimmte Auflösung dieser Meßeinrichtungen zu erhöhen. Dicse Erhöhung der Auflösung kann einmal durch eine weitere Verkleinerung der Gitterkonstanten der Teilung des Teilungsträgers erfolgen. Einer solchen Verkleinerung der Gitterkonstanten der Teilung sind ;ibcr technologische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Zum anderen kann eine Erhöhung der Auflösung dadurch erzielt werden, daß die Signalperioden der bei der Abtastung der Teilung des Teiiungsträgers gewonnenen periodischen Analogsignale unterteilt werden. Beispiels-

weise kann mit zwei periodischen, um 90° gegeneinander phasenversetzten Analogsignalen eine vierfache Unterteilung einer Signalperiode erreicht werden. Eine höhere Auflösung, beispielsweise eine bis zu zwanzigfache Unterteilung einer Signalperiode, kann durch eine Signalvervielfachung mittels eines Unterteilungsnetzwerkes erzielt werden, indem die phasenverschobenen Analogsignale (Primärsignale) einer Widerstandskette zugeführt werden, die eine Reihe einstellbarer Potentiometer aufweist. Durch Abgriff der Potentiometer kann eine Vielzahl von Sekundärsignalen erzeugt werden, die zwischen den Primärsignaien liegen und mittels einer Triggerschaltung eine Interpolation ermöglichen. Auch bei dieser Interpolationsmethode werden die Grenzen der Unterteilung durch den Schaltungsaufwand bestimmt.

In der DE-OS 27 29 697 ist ein Interpolationsverfahren bei einer Positionsmeßeinrichtung beschrieben, bei dem zwei bei der Abtastung der Teilung eines Maßstabs von einer Abtasteinheit gewonnene periodische Analogsignale, die einen gegenseitigen Phasenversatz von 90° aufweisen, digitalisiert und die Digitalwerte einem Digitalrechner zur Berechnung von Interpolationswerten innerhalb der Signalperiode der periodischen Analogsignale zugeführt werden. Aus jeweils zwei Digitalwerten der beiden Analogsignale werden vom Digitalrechner die Interpolationswerte mittels einer Arcustangens-Funktion berechnet Zur Erzielung eines hohen Unterteilungsfaktors bei der Interpolation ist eine hohe Güte der Signalparameter der Analogsignale Voraussetzung, die im allgemeinen aber nicht vorliegt. Daher werden bei fehlerhaften Signalparametern der Analogsignale vor dem Interpolationsvorgang die Digitalwerte der Analogsignale mit vorher bestimmten abgespeicherten Korrekturwerten beaufschlagt.

In der DE-OS 30 24 716 ist ein inierpoiationsverfahren gemäß der vorstehenden DE-OS 27 29 697 offenbart, bei dem ebenfalls bei fehlerhaften Signalparamelcrn der Analogsignale vor dem Interpolationsvorgang die Digitalwerte der Analogsignale mit vorher bestimmten abgespeicherten Korrekturwerten beaufschlagt werden. Zur Ermittlung dieser Korrekturwerte sind in der Positionsmeßeinrichturig gesonderte, von den Analogsignalen beaufschlagte Detektorelemente zur selbsiändigen Ermittlung der Korrekturwerte aus den Analogsignalcn in einem Durchlauf über die gesmte Meßlünge integriert.

Die beiden letztgenannten Interpolationsverfahren benötigen zur Korrektur und zur Interpolation durch den Digitalrechner einen relativ großen Rechenaufwand, so daß die Abtastgeschwindigkeit (Meßgeschwindigkeit) der Meßeinrichtung begrenzt ist.*Beim letztgenannten Interpolationsverfahren ist die Positionsmeßeinrichtung wege!? der integrierten Detektorelemente relativ aufwendig aufgebaut.

Aus der österreichischen Bekanntmachungsschrift 5 042/79 ist eine Einrichtung zum Abgleich der analogen Abtastsignale auf eine bestimmte Signalhöhe und Signalform bei einer inkrementalen Meßeinrichtung bekannt, bei der das Analogsignal einmal einer regelbaren Verstärkerstufe zugeleitet und zum anderen in Ist-Digitalwerte umgewandelt wird, aus denen ein Rechner durch Vergleich mit abgespeicherten Soll-Digitalwerten Rcgeldaten ermittelt, die der regelbaren Verstärkerstufc zugeführt werden, so daß am Verstärkerausgang das korrigierte Analogsigna¹ auftritt.

Der DE-OS 30 46 797 entnimmt man eine Positionsmeßeinrichtung mit einer Einrichtung zur Korrektur des Signalparameters »Gleichspannungsanteil« der Abtastsignaie. Zur Ermittlung der Korrekturwerte werden die minimale Amplitude und die maximale Amplitude innerhalb einer Signalperiode gemessen. Aus der Druckschrift »Digitale Lagemeßtechnik« 1974, Seiten 78—79 ist es bekannt, zur Erzeugung oberwellenarmer Sinusschwingungen aus einem Festwertspeicher seriell diskrete Amplitudenwerte in digitaler Darstellung aus einer Sinus- und Kosinustabelle abzufragen und mittels eines Digital-/Analog-Umsetzers in analoge Spannungen umzuwandeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Interpolieren von periodischen Analogsignalen bei einer digitalen elektrischen Positionsmeßeinrichtung anzugeben, das eine hohe und praktisch unbegrenzt feinstufige Unterteilung innerhalb einer Signaiperiode der Analogsignale ohne Begrenzung der Meßgeschwindigkeit erlaubt und das bei einer herkömmlichen Positionsmeßeinrichtung ohne zusätzliche EIemente eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsge:,iäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagenen Maßnahmen eine h-he und genaue Interpolation von Positionsmeßwerten ohne Einschränkung der Meßgenauigkeit bei einer Positionsmeßeinrichtung erlauben, da die gemittelten Tabellen der Interpolationseinrichtung den wahren Signalformen der periodischen Abtastsignale angepaßt sind. Da zu diesem Zweck keine zusätzliche Elemente benötigt werden, kann eine preiswerte herkömmliche Positionsmeßeinrichtung verwendet werden.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Fig. 1 ist eine lichtelektrische inkremental Längenmeßeinrichtung mit einer Interpolationseinrichtung / dargestellt. Die Teilung T eines mit einem zu messenden Objekt verbundenen Maßstabs M wird von einer Abtasteinheit A abgetastet, die mit einem anderen zu messenden Objekt verbunden ist. Die nicht dargestellten Objekte können aus zwei relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen einer Bearbeitungsmaschine gebildet sein. Die Abtasteinheit A enthält in nicht gezeigter Weise eine Abtastplatte mit Teilungsfeldern, eine Beleuchtungseinheit sowie Photoelemente, die den an der Teilung Tdes Maßstabs M und an den Teilungsfeldern der Abtastplatte modulierten Lichtstrom der Beleuchtungseinheif in zwei periodische sinusförmige nullsymmetrische Analogsignale Si, Si (sin x, cos x) umformen. Diese beiden bei der Relativbewegung der Abtusteinheit A bezüglich des Maßstabs M (Pfeilrichtung) von der Abtasteinheit A gelieferten periodischen Analogsignale Si. S2 werden in einer Auswerfeinrichtung W jeweils Verstärkern V₁, V₂ sowie Triggern T₁, T2 zur Umformung in Rechtecksignale Si', S2' zugeführt. Diese Rechtecksignale 5·', S2' werden über einen Richtungsdiskriminator RDzur Diskriminierung der Meßrichtung einem Vorwärts-ZRückwärtszähler Z zum vorzeiehenrichtigen Zählen der vom RichtungsdiFkriminator RD erzeugten Impulse zugeleitet, so daß jede Signalperiode der periodischen Analogsignale Si. Si vom Zähler ZaIs Positionsmeßwert fi^rdie Relativlage de beiden Objekte hi erfaßt wird.

Zur Interpolation zwischen diesen Positionsmeßwerten, d.h. zur Unterteilung der Signalperiode der nullsymmetrischen periodischen Analogsignale Si, S2 in ei-

ne Vielzahl von Digiialschritten werden die verstärkten periodischen Analogsignale Si. Sj einer Interpolationseinrichtung / zugeleitet. Diese Interpolationseinrichtung / enthält zwei Analog-/Digital-Umsetzer U\. Ui. denen ein Digitalrechner R nachgeschaliet ist: der Digi talrechner R ist mit einem Speicher SP verbunden. Die verstärkten periodischen Analogsignale Si. Sj werden in der Interpolationseinrichtung / mittels der beiden Analog-Digital-Umsetzer U\. Uj digitalisiert und die Digitalwerte dem Digitalrechner R zur Ermittlung von interpolierten Positionsmeßwerten innerhalb einer Signalpenode der periodischen Analogsignale Si, S; zugeleitet.

Um aus den dem Digitalrechner R zugeführten Digitalwerten der periodischen Analogsignale Si. Sj interpolierte Positionsmeßwerte zu erhalten, wird erfindungsgemäß im Speicher SP der Interpolationseinrichtung /eine Interpolationstabelle abgespeichert. Zur Gewinnung dieser Interpolationstabclle wird zumindest

Λ __ Ii-Ol-

uci ivicuiungc uci

wirkt dabei eine Zuordnung der Positionsmeßwerte der vollen Signalperioden aus dem Zähler Zzu den interpolierten Positionsmeßwerten innerhalb der Signalperioden der periodischen Analogsignale Si, S^.

I CMUMg / UCS !ViaiJMUUS IVI,

vorzugsweise aber die gesamte Meßlänge, vor der eigentlichen Positionsmessung von der Abtasteinheit A mit einer im wesentlichen konstanten Abtastgeschwindigkeit abgetastet. Diese Abtastgeschwindigkeit braucht nicht notwendigerweise konstant zu sein, sondern lediglich die zulässige Beschleunigung ist durch die geforderte Auswertegenauigkeit beschränkt.

Bei dieser Eichabtastung der Teilung 7~des Maßstabs M werden in konstanten Zeitabständen die momentanen Amplituden der beiden von der Abtasteinheit A geiieferten periodischen nullsymmetrischen Analogsi- jo gnaie S-. S; ermittelt und digital abgespeichert. Aus einer Vielzahl von diesen gespeicherten momentanen Amplituden der periodischen Analogsignale Si. Sj werden mit Hilfe von bekannten numerischen Auswerteverfahren die von der jeweiligen Relativgeschwindigkeit abhängigen Periodendauern der einzelnen Perioden der Aniilnpsipnnlp S· S^; ffnüH^U und ür^chh^^^nc! sämtliche gespeicherte Amplitudenwerte einer einheitlichen Penodendauer zugeordnet, indem jedem gespeicherten Amplitudenwert die ihm zugehörige Phasenlage innerhalb der einheitlichen Periode zugeordnet wird. Aus den nunmehr dieser einheitlichen Periode zugeordneten Amplitudenwerten der periodischen Analogsignale Si. S- werden sodann durch Interpolation und Mittelwertbildung gemittelte Signalformen S-. Sj der periodischen Analogsignale S₁. S: ermittelt.

Diese gemittelten Analogsignale Si. Sj werden in digitaler Form im Speicher SP der Interpolationseinrichtung / in einer Interpolationstabelle in Form einer gemittelten Sinustabelle und einer gemittelten Kosinustabelle acgespeiche.t. Die Sinustabelle gibt die Signalform des gemittelten Analogsignals Si und die Kosinustabelle die Signalform des gemittelten Analogsignals Si wieder.

Bei der eigentlichen Positionsmessung werden die Digitalwerte der periodischen Analogsignale Si, Sj vom Digitalrechner R zur Zuordnung zur Interpolationstabelle normiert, d. h. die Digitalwerte des Sinussignals Si werden den Digitalwerten der gemittelten Sinustabelle und die Digitalwerte des Kosinussignals S-, den Digitalwerten der gemittelten Kosinustabelle angepaßt. Bei der Positionsmessung werden die interpolierten Positionsmeßwerte mittels der zugehörigen Digitalwerte der periodischen Analogsignale Si. Sj über den Digitalrechner R aus dem Speicher SPausgelesen und können über eine Leitung L vom Digitalrechner R an eine nicht gezeigte Steuereinrichtung oder an eine digitale Anzeigeeinheit überführt werden. Der Digitalrechner R be-Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Interpolieren von positionsabhängigen periodischen Analogsignalen bei einer digitalen elektrischen Positionsmeßeinrichtung zum Messen der Relativlage zweier Objekte, bei dem die Teilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinheit abgetastet wird und die von der Abtasteinheit erzeugten wenigstens zwei periodischen Analogsignale in digitalisierter Form einmal einer Auswerteeinrichtung und zum anderen einer Interpolationseinrichtung zugeführt werden und bei dem vor der eigentlichen Positionsmessung in einem Eichvorgang die Signalformen der periodischen Analogsignale zumindest über einen Teil der Meßlänge ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Signalformen (Su S2) gemittelte Signalformen (S~t, ~S~₂) gebildet werden, daß die gemittelten Signale (S], Sl) in digitalisierter Form einem Speicher (SP) zugeführt werden und daß die Interpolation zwischen den Positionsmeßwerten direkt mit Hilfe der gespeicherten, digitalisierten Signale (S~u S₂) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: