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Interpolationsverfahren
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Interpolieren von positionsabhängigen
periodischen Analogsignalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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 Abtastplatte
können beispielsweise beim Durchlichtmeßverfahren aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen
Streifen bestehen,
die in Meßrichtung alternierend aufeinander folgen.
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Der Lichtstrom der Beleuchtungseinheit, der die Teilungen des Teilungsträgers
und der 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 Teilungsträgers zueinander phasenversetzt sind. Diese periodischen Analogsignale
werden einer Auswerteeinrichtung zur Bildung von Positionsmeßwerten zugeführt; der
Phasenversatz zwischen den beiden periodischen Analogsignalen erlaubt die Diskriminierung
der Meßrichtung.
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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 Abtasteinheit 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.
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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.
Diese Erhöhung der Auflösung kann einmal durch eine weitere Verkleinerung der Gitterkonstanten
der Teilung des Teilungsträgers erfolgen. Einer solchen Verkleinerung der Gitterkonstanten
der Teilung sind aber technologische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Zum anderen
kann eine Erhöhung der Auf lösung dadurch erzielt werden, daß die Signalperioden
der bei der Abtastung der Teilung des Teilungsträgers gewonnenen periodischen Analogsignale
unterteilt werden. Beispielsweise kann mit zwei periodischen, um 900 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
Unterteilungsnetzwerken 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 Primärsignalen liegen und mittels einer Triggerschaltung
eine Interpolation ermöglichen. Auch bei dieser Interpolationsmethode werden die
Grenzen der Unterteilung durch den Schaltungsaufwand bestimmt.
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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 900 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 Analog
signale 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.
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In der DE-OS 30 24 716 ist ein Interpolationsverfahren gemäß der vorstehende
DE-OS 27 29 697 offenbart, bei dem ebenfalls bei fehlerhaften Signalparametern der
Analogsignale vor dem Interpolationsvorgang die Digitalwerte der Analogsignale mit
vorher bestimmten abgespeicherten Korrekturwerten beaufschlagt werden. Zur Ermittlung
dieser Korrekturwerte sind in der Positionsmeßeinrichtung gesonderte, von den Analogsignalen
beaufschlagte Detektorelemente zur selbstständigen Ermittlung der Korrekturwerte
aus den Analogsignalen in einem Durchlauf über die gesamte Meßlänge integriert.
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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 Positions-
meßeinrichtung
wegen der integrierten Detektorelemente relativ aufwendig aufgebaut.
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Aus der österreichischen Bekanntmachungsschrift 5042/79 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
Regeldaten ermittelt, die der regelbaren Verstärkerstufe zugeführt werden, so daß
am Verstärkerausgang das korrigierte Analogsignal auftritt.
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Der DE-OS 30 46 797 entnimmt man eine Positionsmeßeinrichtung mit
einer Einrichtung zur Korrektur des Signalparameters "Gleichspannungsanteil" der
Abtastsignale. Zur Ermittlung der Korrekturwerte werden die minimale Amplitude und
die maximale Amplitude innerhalb einer Signalperiode gemessen.
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Aus der Druckschrift Digitale LagemeBtechnik" 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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Interpolieren
von periodischen Analogsignalen bei einer digitalen elektrischen Positionsmeß-
einrichtung
anzugeben, das eine hohe und praktisch unbegrenzt feinstufige Unterteilung innerhalb
einer Signalperiode der Analogsignale ohne Begrenzung der Meßgeschwindigkeit erlaubt
und das bei einer herkömmlichen Positionsmeßeinrichtung ohne zusätzliche Elemente
eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die vorgeschlagenen Maßnahmen eine hohe 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.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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In Figur 1 ist eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßeinrichtung
mit einer Interpolationseinrichtung I 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 zuein-
ander 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 T des Maßstabs M und an den Teilungsfeldern der Abtastplatte
modulierten Lichtstrom der Beleuchtungseinheit in zwei periodische sinusförmige
nullsymmetrische Analogsignale S1 S2 S (sin x, cos x) umformen. Diese beiden bei
der Relativbewegung der Abtasteinheit A bezüglich des Maßstabs M (Pfeilrichtung)
von der Abtasteinheit A gelieferten periodischen Analogsignale S1' S2 werden in
einer Auswerteeinrichtung W jeweils Verstärkern V1, V2 sowie Triggern T1, T2 zur
Umformung in Rechtecksignale S1', S2' zugeführt. Diese Rechtecksignale S1', S2'
werden über einen Richtungsdiskriminator RD zur Diskriminierung der Meßrichtung
einem Vorwärts-/Rückwärtszähler Z zum vorzeichenrichtigen Zählen der vom Richtungsdiskriminator
RD erzeugten Impulse zugeleitet, so daß jede Signalperiode der periodischen Analogsignale
S1, S2 vom Zähler Z als Positionsmeßwert für die Relativlage der beiden Objekte
erfaßt wird.
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Zur Interpolation zwischen diesen Positionsmeßwerten, d.h. zur Unterteilung
der Signalperiode der nullsymmetrischen periodischen Analogsignale S1, 2 in eine
Vielzahl von Digitalschritten werden die verstärkten periodischen Analogsignale
S1, S2 einer Interpolationseinrichtung 1 zugeleitet. Diese Interpolationseinrichtung
I enthält zwei Analog-/Digital-Umsetzer U1, U2, denen ein Digitalrechner R nachgeschaltet
ist; der Digitalrechner R ist mit einem Speicher SP verbunden. Die verstärkten periodischen
Analogsignale
S 2 werden in der Interpolationseinrichtung I mittels der beiden Analog-/Digital-Umsetzer
U1, U2 digitalisiert und die Digitalwerte dem Digitalrechner R zur Ermittlung von
interpolierten Positionsmeßwerten innerhalb einer Signalperiode der periodischen
Analogsignale Slr S2 zugeleitet.
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Um aus den dem Digitalrechner R zugeführten Digitalwerten der periodischen
Analogsignale Slr 2 interpolierte Positionsmeßwerte zu erhalten, wird efindungsgemäß
im Speicher SP der Interpolationseinrichtung I eine Interpolationstabelle abgespeichert.
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Zur Gewinnung dieser Interpolationstabelle wird zumindest ein Teil
der Meßlänge der Teilung T des Maßstabs M, 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.
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Bei dieser Eichabtastung der Teilung T des Maßstabs M werden in konstanten
Zeitabständen die momentanen Amplituden der beiden von der Abtasteinheit A gelieferten
periodischen null symmetrischen Analogsignale S1' S2 ermittelt und digital abgespeichert.
Aus einer Vielzahl von diesen gespeicherten momentanen Amplituden der periodischen
Analogsignale S1, S2 werden mit Hilfe von bekannten numerischen Auswerteverfahren
die von der jeweiligen Relativgeschwindigkeit abhängigen Periodendauern der einzelnen
Perioden der Analogsignale S1, 2 ermittelt und anschließend sämtliche gespeicherte
Amplitudenwerte einer einheitlichen
Periodendauer 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 S1, S2 werden sodann durch Interpolation
und Mittelwertbildung gemittelte Signalformen S1' S2 der periodischen Analogsignale
S, S2 ermittelt.
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Diese gemittelten Analogsignale S1, S2 werden in digitaler Form im
Speicher SP der Interpolationseinrichtung I in einer Interpolationstabelle in Form
einer gemittelten Sinustabelle und einer gemittelten Kosinustabelle abgespeichert.
Die Sinustabelle gibt die Signalform des gemittelten Analogsignals S1 und die Kosinustabelle
die Signalform des gemittelten Analogsignals S2 wieder.
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Bei der eigentlichen Positionsmessung werden die Digitalwerte der
periodischen Analogsignale S1, S2 vom Digitalrechner R zur Zuordnung zur Interpolationstabelle
normiert, d.h. die Digitalwerte des Sinussignals S1 werden den Digitalwerten der
gemittelten Sinustabelle und die Digitalwerte des Kosinussignals S2 den Digitalwerten
der gemittelten Kosinustabelle angepaßt. Bei der Positionsmessung werden die interpolierten
Positionsmeßwerte mittels der zugehörigen Digitalwerte der periodischen Analogsignale
S1, S2 über den Digitalrechner R aus dem Speicher SP ausgelesen und können über
eine Leitung L vom Digitalrechner R an eine nicht gezeigte Steuereinrichtung oder
an eine digitale Anzeigeeinheit überführt werden. Der Digitalrechner R bewirkt dabei
eine Zuordnung der Positionsmeßwerte der vollen
Signalperioden
aus dem Zähler Z zu den interpolierten Positionsmeßwerten innerhalb der Signalperioden
der periodischen Analogsignale S1, S2.
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