DE4402401A1 - Winkelmeßeinrichtung mit mehreren Abtaststellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Winkelmeßeinrichtung mit mehreren Abtaststellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Winkelmeßeinrichtungen werden insbeson­ dere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Re­ lativlage eines Werkzeuges bezüglich eines zu bear­ beitenden Werkstückes sowie bei Koordinatenmeßma­ schinen zur Ermittlung von Lage und/oder Abmessun­ gen von Prüfobjekten eingesetzt.

Unter Winkelmeßeinrichtungen subsumiert man sowohl absolute als auch inkrementale - also relative - Winkelmeßeinrichtungen, bei denen die Teilung eines Teilungsträgers von einer Abtasteinheit zur Erzeu­ gung von periodischen Abtastsignalen abgetastet wird, aus denen in einer Auswerteeinrichtung Meß­ werte für die Relativlage der beiden zueinander verschiebbaren Objekte, beispielsweise des Werkzeuges und des Werkstückes bzw. der beiden zu­ gehörigen Maschinenteile der Bearbeitungsmaschine, gewonnen werden.

Bei einer Winkelmeßeinrichtung kann die Teilung des Teilungsträgers aber partielle Teilungsungenauig­ keiten aufweisen. Zudem können Exzentrizitäten zwischen der Winkelteilung und der Drehachse der beiden zu messenden Objekte auftreten. Diese vorge­ nannten Störeinflüsse können aber negative Aus­ wirkungen auf die geforderte Meßgenauigkeit haben. Bei derartigen Positionsmeßeinrichtungen können aber diese negativen Störeinflüsse auf die Meß­ genauigkeit dadurch weitgehend vermieden werden, daß die Teilung des Teilungsträgers von mehreren Abtasteinheiten beispielsweise an zwei oder vier Abtaststellen abgetastet und die von den Abtast­ einheiten erzeugten periodischen Abtastsignale gleicher Phasenlage einander analog überlagert werden. Durch diese analoge Überlagerung der periodischen Abtastsignale können partielle Tei­ lungsungenauigkeiten ausgemittelt werden. Mit zwei Abtasteinheiten können bei einer Winkelmeßeinrich­ tung Exzentrizitätsfehler und mit zwei weiteren Abtasteinheiten der sogenannte 2ϕ-Fehler der Teil­ scheibe eliminiert werden.

Die US-4,580,047-A beschreibt eine Winkelmeßein­ richtung mit zwei Abtasteinheiten an zwei diametral gegenüberliegenden Abtaststellen zur Eliminierung von Exzentrizitätsfehlern und zur Überwachung der Phasenlage der periodischen Abtastsignale.

Die DE-18 11 961-A offenbart ebenfalls eine Win­ kelmeßeinrichtung mit zwei Abtasteinheiten an zwei diametral gegenüberliegenden Abtaststellen, deren periodische Abtastsignale einander in analoger Form additiv überlagert werden, so daß neben der Unwirk­ sammachung von eventuellen Teilungsungenauigkeiten der Teilscheibe auch Exzentrizitätsfehler der Lagerung der Teilscheibe eliminiert werden.

Die z. B. bei der Doppelabtastung der Winkelteilung einer Winkelmeßeinrichtung mittels der beiden Ab­ tasteinheiten an den beiden Abtaststellen gewon­ nenen zwei periodischen Abtastsignale gleicher Pha­ senlage weisen im theoretischen Fall einer nicht vorhandenen Exzentrizität keine gegenseitige Pha­ senverschiebung auf. Die praktisch immer vorhandene Exzentrizität bewirkt jedoch eine gegenseitige Pha­ senverschiebung der beiden periodischen Abtastsi­ gnale, die bis zu einem gewissen Grad ohne nach­ teilige Auswirkung auf die Meßgenauigkeit zugelas­ sen werden kann; die noch zulässige Exzentrizität sollte daher ein Zehntel der Gitterkonstanten (Periodenlänge) der Winkelteilung nicht überschrei­ ten. Bei Überschreitung dieses Grenzwertes besteht die Gefahr, daß das analoge Summensignal der beiden periodischen Abtastsignale zu klein wird. Beträgt die Exzentrizität ein Viertel der Gitterkonstanten der Winkelteilung, so eilen das erste periodische Abtastsignal der ersten Abtasteinheit an der ersten Abtaststelle um 90° in der Phase vor und das zweite Abtastsignal der zweiten Abtasteinheit an der zwei­ ten Abtaststelle um 90° in der Phase nach, so daß die beiden periodischen Abtastsignale einen gegen­ seitigen Phasenunterschied um 180° aufweisen, der zu einer Auslöschung ihres Summensignales führt, so daß kein Meßwert gebildet werden kann.

Die Gefahr der Überschreitung dieses Grenzwertes besteht insbesondere bei großen Beschleunigungen durch Stöße oder Vibrationen der Bearbeitungs­ maschine bei einer Werkstückbearbeitung. In diesem Fall ist die Doppelabtastung, die im Normalbetrieb zur Erhöhung der Meßgenauigkeit dient, von Nach­ teil, da die beiden periodischen Abtastsignale bei ihrer Summenbildung sich gegenseitig ganz oder zu­ mindest teilweise aufheben können, so daß fehler­ hafte Meßergebnisse die Folge sind.

In der DE- 37 26 260-A ist eine Winkelmeßeinrich­ tung mit mehreren Abtasteinheiten an mehreren Ab­ taststellen beschrieben, bei der die durch eine vorliegende Exzentrizität bedingten gegenseitigen Phasenverschiebungen der gewonnenen periodischen Abtastsignale überprüft werden. Ergibt diese Über­ prüfung der gegenseitigen Phasenverschiebungen der periodischen Abtastsignale der verschiedenen Ab­ tasteinheiten an den zugehörigen Abtaststellen eine unzulässige Überschreitung eines vorgegebenen Tole­ ranzbereiches, so werden die periodischen Abtastsi­ gnale der verschiedenen Abtasteinheiten mittels einer Steuereinrichtung ungleich gewichtet; dabei werden die Amplitude des einen periodischen Abtast­ signales vergrößert und die Amplitude des anderen periodischen Abtastsignales verringert, so daß eine teilweise oder sogar ganze Aufhebung bei ihrer Sum­ menbildung vermieden wird. Diese Positionsmeßein­ richtung ist aber wegen der Steuereinrichtung zur Gewichtung der periodischen Abtastsignale relativ aufwendig aufgebaut.

Mit keiner der vorbeschriebenen inkrementalen - also relativ messenden - Winkelmeßeinrichtungen ist eine absolute Positionsbestimmung der relativ zu­ einander beweglichen Elemente möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Po­ sitionsmeßeinrichtung der eingangs genannten Gat­ tung anzugeben, bei der aus den periodischen Ab­ tastsignalen mehrerer Abtasteinheiten an mehreren Abtaststellen die Absolutposition der relativ zu­ einander beweglichen, zu messenden Objekte ermit­ telt werden kann und die eine hohe Genauigkeit auf­ weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß bei einer Winkelmeßeinrichtung durch eine entsprechende Auswertung der Meßwerte der einzelnen Abtasteinheiten mittels wenigstens einem resultierenden Signal die Lage der Exzentrizität und damit die Absolutposition des Teilkreises er­ mittelt werden kann, wobei durch eine Mehrfachab­ tastung mit vier Abtasteinheiten der Exzentrizi­ tätsfehler eliminiert und die Genauigkeit ge­ steigert wird.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Winkelmeßeinrichtung mit vier Abtasteinheiten und einer Auswerteeinrichtung,

Fig. 2 das Prinzip der Erfindung anhand von schematischen Darstellungen 2a bis 2c und

Fig. 3 eine mögliche Variante.

In Fig. 1 ist eine Winkelmeßeinrichtung 1 schema­ tisch dargestellt, bei der eine Teilscheibe 2 mit einer Winkelteilung 3 an einer Welle 4 befestigt ist, die mit einem nicht gezeigten drehbaren Ob­ jekt, beispielsweise einer Spindel eines Maschinen­ tisches einer Bearbeitungsmaschine, verbunden ist. Zwei Gruppen 5, 7; 6, 8 von jeweils einander dia­ metral gegenüberliegenden Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 sind mit einem nicht gezeigten stationären Ob­ jekt, beispielsweise dem Bett der Bearbeitungsma­ schine, verbunden und tasten die Winkelteilung 3 der Teilscheibe 2 zur Erzeugung jeweils zweier periodischer Abtastsignale 5 _s, 5 _c, 7 _s, 7 _c; 6 _s, 6 _c; 8 _s, 8 _c bei einer Drehung der Teilscheibe bezüglich der vier Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 ab. Die beiden periodischen Abtastsignale 5 _s, 5 _c der ersten Ab­ tasteinheit 5 und die jeweils beiden periodischen Abtastsignale 7 _s, 7 _c; 6 _s, 6 _c; 8 _s, 8 _c der weiteren Abtasteinheiten 7; 6, 8 weisen jeweils einen gegen­ seitigen Phasenversatz um 90° auf, der in bekannter Weise zur Diskriminierung der Drehrichtung der Teilscheibe 2 dient. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird jeweils nur eines der Abtastsignale 5 _s, 7 _s; 6 _s, 8 _s der Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 er­ örtert.

Der Mittelpunkt 0 der Teilscheibe 2 bzw. die Win­ kelteilung 3 mögen gegenüber der Drehachse 9 der Welle 4 eine Exzentrizität 3 aufweisen. Diese Ex­ zentrizität e kann durch eine unvollkommene Zentrierung des Mittelpunktes 0 der Teilscheibe 2 bzw. der Winkelteilung 3 bezüglich der Drehachse 9 der Welle 4 oder durch Lagerfehler der Welle 4 oder durch Beschleunigungen infolge von Erschütterungen oder Vibrationen der Bearbeitungsmaschine, die die Teilscheibe 2 momentan aus ihrer Mittenlage ent­ fernen, bewirkt sein.

Sie kann aber auch - und das ist für die Erfindung von Bedeutung - gezielt vorgegeben sein.

Durch diese Exzentrizität e wird eine Phasenver­ schiebung 2β wirksam, die so zu verstehen ist, daß die beiden periodischen Abtastsignale 5 _s, 7 _s der ersten und dritten Abtasteinheit 5, 7 beispielswei­ se um die Phasenverschiebung +β voreilen be­ ziehungsweise -β nacheilen und die beiden periodi­ schen Abtastsignale 6 _s, 8 _s der zweiten und vierten Abtasteinheit 6, 8 keine Phasenverschiebung bezogen jeweils auf die geforderten Phasenlagen 0°, 90° bei nicht vorhandener Exzentrizität e aufweisen.

Dies erklärt sich daraus, daß bei einer wirksamen Exzentrizität e in einer Koordinatenrichtung in der dazu rechtwinkligen Koordinatenrichtung die Ex­ zentrizität maximal erkennbar ist, jedoch in der Koordinatenrichtung, in der die Exzentrizität wirk­ sam ist, jedoch nicht erkennbar ist.

In entsprechender Weise gilt das Vorstehende auch für die Signale der beiden diametralen Abtastein­ heiten 6 und 8.

Die Lage der Exzentrizität e zu den diametralen Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 ist also ein Maß für die Absolutposition der Winkelteilung 3.

Aus den genannten Phasenverschiebungen der Abtast­ signale zueinander läßt sich in der Auswerteeinheit 10 ein resultierendes Signal erzeugen, das einen weitgehend sinusförmigen Verlauf hat. Dieses Signal wird in Abhängigkeit von der Auflösung der Winkel­ teilung 3 so fein unterteilt, daß ein eindeutiger Anschluß der inkrementalen Signale an daß resul­ tierende Signal möglich ist.

Anhand der schematischen Darstellungen in der Fig. 2 mit ihren Teilfig. 2A bis 2E wird erläutert, wie die Absolutposition aus der Exzentrizität e hergeleitet wird. In Teilfig. 2A ist eine schema­ tisierte Winkelmeßeinrichtung 1 gemäß Fig. 1 dar­ gestellt. Die Teilscheibe 2 bzw. die Winkelteilung 3 ist exzentrisch um einen Drehpunkt 9 gelagert, so daß der Mittelpunkt 0 der Winkelteilung 3 um eine Exzentrizität e vom Drehpunkt 9 abweicht. Von den vier Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 werden Abtastsi­ gnale 5 _s, 5 _c, 7 _s, 7 _c; 6 _s, 6 _c; 8 _s, 8 _c in der zu Fig. 1 vorbeschriebenen Weise erzeugt. Zur Verein­ fachung der nachstehenden Erläuterungen sei hier - wie bereits erwähnt - nur auf die Verhältnisse zwischen jeweils einem der Abtastsignale 0° bzw. 90° der Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 eingegangen, da sich die Gegebenheiten sinngemäß entsprechen.

In den Teilfig. 2B, 2C, 2D ist die Teilscheibe 2 mit der Winkelteilung 3 jeweils um 90° gegenüber der Vorposition gedreht dargestellt, was eine um die Exzentrizität e verschobene Lage der Winkeltei­ lung 3 gegenüber den Abtasteinheiten 5, 6, 7 und 8 zeigt.

In linearer Darstellung wird dies in der Teilfig. 2E nochmals für die verschiedenen Abtasteinheiten 5, 6, 7, 8 und Winkelpositionen bis zu einer vollen Umdrehung bzw. vollen Periode von 360° gezeigt.

Die linear aufgetragene Winkelteilung zeigt für jeden Drehwinkel von 0°, 90°, 180°, 270°, 360° die Lage zur jeweiligen Abtasteinheit 5, 6, 7, 8 unter Einwirkung der Exzentrizität e, was zu der in Fig. 1 dargestellten Phasenverschiebung +β, 0, -β, 0 der Abtastsignale 5 _s, 5 _c, 7 _s, 7 _c; 6 _s, 6 _c; 8 _s, 8 _c führt.

Daraus wird ersichtlich, daß bei der Abtastung einer inkrementalen Winkelteilung 3 mit mehreren Abtasteinheiten 5, 6, 7, 8 jederzeit die absolute Winkelposition ermittelt werden kann, da die Pha­ senverschiebung zwischen den Abtastsignalen 5 _s, 6 _s, 7 _s, 8 _s oder 5 _c, 6 _c; 7 _c; 8 _c direkt von der Ex­ zentrizität e abhängig ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zeigt, daß die Abtasteinheiten (53, 73; 63, 83) nicht zwangs­ läufig diametral angeordnet sein müssen, wobei die Gruppen nicht im rechten Winkel zueinander stehen müssen. Die mit den Bauelementen gemäß Figur gleichartigen Bauelemente tragen die gleichen Be­ zugszeichen wie dort, die jedoch um den Figuren-In­ dex ergänzt sind. Zur Bestimmung der absoluten Po­ sition der Winkelteilung 33 muß in der Auswerteein­ heit 103 ein Rechner installiert sein, der die La­ gebeziehungen der Abtasteinheiten 53, 73; 63, 83 zueinander rechnerisch berücksichtigt und den Posi­ tionswert korrigiert.

Claims (4)

1. Winkelmeßeinrichtung (1) mit einer um einen Drehpunkt (9) drehbaren Teilscheibe (2), die eine inkrementale Winkelteilung (3) mit dem Mit­ telpunkt (0) trägt und die von mehreren, am Um­ fang der Teilscheibe (2) angeordneten Abtastein­ heiten (5, 7; 6, 8) abgetastet wird, welche zu­ einander phasenverschobene Abtastsignale (5 _s, 5 _c, 7 _s, 7 _c; 6 _s, 6 _c, 8 _s, 8 _c) erzeugen, wobei der Mittelpunkt (0) der Winkelteilung (3) und der Drehpunkt (9) der Teilscheibe (2) zueinander um eine Exzentrizität (e) verlagert sind, welche bewirkt, daß die Winkelteilung (3) in jeder Winkelposition eine durch die Exzentrizität (e) bestimmte, eindeutig bestimmbare Absolutposition gegenüber den Abtasteinheiten (5, 7; 6, 8) auf­ weist.

2. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Absolut­ position der Winkelteilung (3) gegenüber den Abtasteinheiten (5, 7; 6, 8) in einer Auswerte­ einheit (10) mittels der relativen Phasenver­ schiebung der Abtastsignale (5 _s, 6 _s, 7 _s, 8 _s oder 5 _c, 6 _c; 7 _c; 8 _c) zueinander erfolgt, aus der wenigstens ein resultierendes Signal gewonnen wird, welches die Lage der Exzentrizität (e) repräsentiert.

3. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal derart interpoliert wird, daß dessen Interpola­ tionsschritte der Periode der inkrementalen Ab­ tastsignale (5 _s, 6 _s, 7 _s, 8 _s oder 5 _c, 6 _c; 7 _c; 8 _c) entsprechen und synchron an diese angeschlossen werden können.

4. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinheiten (5, 7; 6, 8) zwei Gruppen (5, 7) und (6, 8) bilden, von denen sich die Abtasteinheiten einer jeden Grup­ pe (5, 7 bzw. 6, 8) jeweils diametral gegenüber­ liegen und die Gruppen (5, 7; 6, 8) zueinander einen rechten Winkel einschließen.