DE19641035A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsmes­ sung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und 6.

Positionsmeßeinrichtungen verfügen über einen Träger mit einer Meßtei­ lung, die von einer relativ zum Träger bewegbaren Abtasteinheit abgetastet wird. Zur Messung einer absoluten Position sind mehrere parallel zueinan­ der angeordnete Meßteilungen unterschiedlicher Auflösung vorgesehen. Die Abtastelemente der Abtasteinheit lesen die Meßteilungen ab und erzeugen elektrische Abtastsignale unterschiedlicher Perioden, die in einer Auswerte­ einheit miteinander verknüpft werden und dadurch die absolute Position der Abtasteinheit relativ zum Träger ermittelt wird.

Die Abtastelemente selbst sowie die gesamte Beschaltung der Abtastele­ mente weisen ein frequenzabhängiges Tiefpaßverhalten auf. Dieses Tief­ paßverhalten bewirkt mit steigender Frequenz der Abtastsignale eine zu­ nehmende Phasenverschiebung und somit einen Phasenfehler zwischen den einzelnen Abtastsignalen unterschiedlicher Frequenz.

Das Verhalten und die Eigenschaften von Tiefpässen sind in dem Buch von Tietze, Ulrich: Halbleiter-Schaltungstechnik/U. Tietze; Ch. Schenk, 10. Auf­ lage, 1993, Seiten 9 bis 13, 143 bis 155 beschrieben.

Zur Kompensation der frequenzabhängigen Phasenverschiebung der ein­ zelnen Abtastsignale bei einer Positionsmeßeinrichtung wurde gemäß der EP 0 256 229 B1 vorgeschlagen, den Abtastelementen ein Laufzeitglied zuzuordnen.

Diese Laufzeitglieder in Form von Verstärkern, RC-Netzwerken oder Allpaß- Schaltungen sind relativ aufwendige Schaltungen mit viel Platzbedarf. Da diese Schaltungen selbst wiederum ein frequenzabhängiges Verhalten auf­ weisen, ist eine exakte Optimierung schwierig realisierbar und nur innerhalb eines sehr eingeschränkten Frequenzbereiches möglich. Weiterhin neigen nachgeordnete Schaltungen mit Gegenkopplung zum Schwingen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßvorrichtung und ein Positionsmeßverfahren anzugeben, mit der/dem frequenzabhängige Einflüsse auf die Abtastsignale effektiv und auf einfache Weise kompensiert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 und 6 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angege­ ben.

Mit Hilfe der Zeichnungen wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Positionsmeßvorrichtung,

Fig. 2 Abtastsignale der Positionsmeßvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein zu korrigierendes und korrigiertes Ab­ tastsignal vergrößert dargestellt,

Fig. 4 die frequenzabhängige Amplitude eines Abtastsignales und

Fig. 5 die frequenzabhängige Phasenverschie­ bung eines Abtastsignales.

In Fig. 1 ist eine lichtelektrische Positionsmeßvorrichtung schematisch dar­ gestellt. Sie besteht aus einem Codeträger 1, der relativ zu einer Abtastein­ richtung 2 in Meßrichtung X verschiebbar ist. Der Codeträger 1 besitzt meh­ rere Codespuren 3, 4, 5 mit unterschiedlichen Teilungsperioden TP3, TP4, TP5. Jede der Codespuren 3, 4, 5 wird von einem Abtastelement 6, 7, 8 zur Erzeugung von analogen Abtastsignalen S3, S4, S5 mit den Signalperioden P3, P4, P5 abgetastet. Die Abtastelemente 6, 7, 8 sind in Fig. 1 in Form von Ersatzschaltbildern schematisch dargestellt. Jedes lichtempfindliche Abtastelement 6, 7, 8 besteht aus einem Fotoelement 6.1, 7.1, 8.1, welches selbst oder in Verbindung mit nachgeordneten Verstärkerschaltungen ein Tiefpaßverhalten aufweist. Dieses Tiefpaßverhalten ist schematisch durch die Widerstände 6.2, 7.2, 7.3 und die Kondensatoren 6.3, 7.3, 8.3 darge­ stellt.

Die Abtastsignale S3, S4, S5 werden einer Auswerteeinheit 9 zugeführt, in welcher durch Kombination oder Phasenvergleich der Abtastsignale S3, S4, S5 in bekannter Weise eine absolute Position gewonnen wird, die in Form eines Codewortes C am Ausgang der Auswerteeinheit 9 an steht. Die Aus­ werteeinheit 9 kann - wie in Fig. 1 dargestellt ist - von der Abtasteinrich­ tung 2 weit entfernt sein, z. B. Bestandteil einer Anzeigeeinheit oder einer numerischen Steuerung sein, oder auch integraler Bestandteil der Ab­ tasteinrichtung 2 selbst sein.

Die Abtastsignale S3, S4, S5 sind in Fig. 2 dargestellt. Die Abtastsignale S3 und S4 besitzen eine Periode P3, P4, die ein Vielfaches der Periode P5 des Abtastsignales S5 aufweist. Durch das Tiefpaßverhalten der Abtastele­ mente 6, 7, 8 erfolgt eine frequenzabhängige Phasenverschiebung der Ab­ tastsignale S3, S4, S5. In Fig. 5 ist die frequenzabhängige Phasenver­ schiebung um einen Phasenwinkel ϕ eines Abtastelementes 8 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß bei niederen Frequenzen f des Abtastsignales S5 keine Phasenverschiebung ϕ verursacht wird. Im dargestellten Beispiel wird angenommen, daß die Teilungsperioden TP3 und TP4 sowie die maximale Relativgeschwindigkeit des Codeträgers 1 in Meßrichtung X relativ zur Ab­ tasteinrichtung 2 so gewählt sind, daß im Betrieb keine Phasenverschiebung ϕ der Abtastsignale S3, S4 auftritt. Die Codespur 5 hat die kleinste Tei­ lungsperiode TP5 und somit ist die Frequenz f dieses Abtastsignales S5 am größten. Es sei angenommen, daß im Betrieb nur dieses Abtastsignal S5 eine Frequenz f erreichen kann, die zu einer nennenswerten Phasenver­ schiebung ϕ führt. Gemäß der Erfindung wird diese Phasenverschiebung ϕ besonders einfach korrigiert.

Hierzu ist in der Auswerteeinheit 9 eine Korrektureinrichtung 10 vorgesehen, welche das Abtastsignal S5 in Abhängigkeit der momentanen Frequenz f des Abtastsignales S5 korrigiert. Vor der eigentlichen Positionsmessung - in der Regel bereits beim Hersteller der Positionsmeßvorrichtung - wird die Abhängigkeit der Phasenverschiebung ϕ von der Frequenz f des Abtast­ elementes 8 erfaßt. Dies kann dadurch erfolgen, daß man direkt die Pha­ senverschiebung ϕ in Grad für verschiedene Frequenzen f des Abtastsigna­ les S5 mißt und somit die in Fig. 5 gezeigte Kurve aufnimmt. Die darge­ stellte Abhängigkeit ϕ(f) wird auch als Phasen- bzw. Frequenzgang be­ zeichnet.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man die Amplitude A des Ab­ tastsignales S5 bei verschiedenen Frequenzen f mißt. Es ist bekannt, daß die Grenzfrequenz f_G bei 1/√=0,7 der maximalen Amplitude A_max erreicht ist. Erreicht beim Einmeßvorgang die Amplitude A=0,7 der maximalen Amplitude, wird die dabei auftretende Frequenz f des Abtastsignales S5 als Grenzfrequenz f_G angenommen. Aus dieser Grenzfrequenz f_G läßt sich mathematisch der in Fig. 5 dargestellte Frequenzgang mit der Formel ϕ=arc tan f/f_G herleiten.

Beim Einmeßvorgang kann das Abtastsignal S5 mit der variablen Frequenz f dadurch erzeugt werden, daß am Abtastelement 8 ein Oszillator zur Ein­ speisung eines Signales der Frequenz f angeschlossen wird, oder daß der Codeträger 1 mit verschiedenen Geschwindigkeiten relativ zum Abtastele­ ment 8 in Meßrichtung X verschoben wird.

In der Korrektureinrichtung 10 wird die beim Einmeßvorgang erhaltene Ab­ hängigkeit ϕ(f) in einem Speicher 10.1 abgelegt, beispielsweise in Form ei­ ner Tabelle. Während des Betriebes der Positionsmeßvorrichtung wird die momentane Frequenz f des Abtastsignales S5 gemessen und davon ab­ hängig ein Korrekturwert ϕ zur Phasenkorrektur ausgegeben. Die momen­ tane Frequenz f des Abtastsignales S5 kann durch eine Geschwindigkeits­ messung erfolgen. Hierzu werden beispielsweise die Perioden P5 innerhalb einer bestimmten Zeitdauer gemessen. In Fig. 1 ist eine Frequenzmessung schematisch dargestellt. Das analoge Abtastsignal S5 wird mit der Trigger­ stufe 11 in ein Rechtecksignal D5 gewandelt und im nachgeordneten Zähler 12 werden die Perioden oder Flanken des Signales D5 gezählt. Aus der Pe­ rioden- oder Flankenzahl innerhalb einer bekannten Zeit läßt sich einfach die Frequenz f errechnen. Diese Frequenz f dient als Adresse des Spei­ chers 10.1. Jeder Frequenz f ist ein Korrekturwert ϕ zugeordnet, der einer Verknüpfungsschaltung 10.2 zugeführt wird, welche die momentane Phase des Abtastsignales S5 um den Korrekturwert ϕ korrigiert.

Anstelle einer Korrekturtabelle kann im Speicher 10.1 auch nur der Wert für die Grenzfrequenz f_G abgelegt sein, und der Korrekturwert ϕ während der Positionsmessung in Echtzeit nach der Beziehung ϕ=arc tan f/f_G berechnet werden.

Zur Bildung des absoluten Codewortes C kann in der Auswerteeinheit 9 eine Vorrichtung angeordnet sein, welcher die Abtastsignale S3, S4 sowie das korrigierte Abtastsignal (S5+ϕ) zugeführt werden.

Im dargestellten Beispiel wird das absolute Codewort C durch Vergleich der Phasenlage aller Abtastsignale S3, S4, S5 gebildet. Hierzu wird jedes ana­ loge Abtastsignal S3, S4, S5 einer Unterteilungsschaltung 13, 14, 15 zuge­ führt, in der beispielsweise jede Periode P3, P4, P5 der Abtastsignale S3, S4, S5 in 256 gleiche Teile unterteilt (interpoliert) wird. Da die Teilungsperi­ oden TP3, TP4, TP5 der Codespuren 3, 4, 5 unterschiedlich sind, erhält man an jeder Position über die gesamte Meßlänge eine definierte Kombina­ tion von momentanen Unterteilungswerten U3, U4, U5 und somit ein ein­ deutiges Codewort C. Die Unterteilungswerte U3, U4 sowie der korrigierte Unterteilungswert U5′ wird hierzu einer Vorrichtung 16 zugeführt.

In Fig. 3 ist eine Periode P5 des Abtastsignales S5 dargestellt. Die gestri­ chelte Darstellung zeigt das Abtastsignal S5 ohne eine Phasenverschiebung ϕ mit der normierten maximalen Amplitude 1. Das weitere Signal in Fig. 3 wird vom Abtastelement 8 bei einer Frequenz des Abtastsignales S5 von f=100 kHz erzeugt. Aus den Diagrammen in Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß bei f=100 kHz die Amplitude nur noch 0,85 der maximalen Amplitude ist, sowie das Abtastsignal um ϕ=-27° phasenverschoben ist. Wird eine Pe­ riode P5 von der Unterteilungsschaltung 15 in 256 Teile unterteilt, so ent­ sprechen 27°=19 Teile. Daraus folgt, daß bei der Frequenz f=100 kHz jeder Unterteilungswert U5 des Abtastsignales S5 um 19 Teile korrigiert werden muß. Hierzu ist in dem Speicher 10.1 für f=100 kHz der Korrekturwert ϕ=19 abgespeichert und in der Verknüpfungsschaltung 10.2 erfolgt eine einfache Addition: U5′=U5+19.

Anstelle der mathematischen Addition ist auch eine andere Korrekturme­ thode möglich. In vielen Fällen wird zur Unterteilung von sinusförmigen Ab­ tastsignalen eine Tabelle verwendet, an der als Adressen zwei um 90° ge­ geneinander phasenverschobene Abtastsignale gleicher Frequenz anstehen und in Abhängigkeit der Momentanwerte dieser Abtastsignale ein dazu ab­ gespeicherter Unterteilungswert ausgegeben wird. Zur Korrektur eines Pha­ senfehlers ϕ kann diese Tabelle um die zu korrigierenden Schritte verscho­ ben werden, so daß z. B. ein um 19 Schritte korrigierter Wert ausgegeben wird.

Die Frequenz f=100 kHz entspricht einer Relativgeschwindigkeit des Code­ trägers 1 von 1,6 m pro sec. bei einer Teilungsperiode TP5 von 16 µm.

Sollte es erforderlich sein, können auch weitere Abtastsignale gemäß der Erfindung korrigiert werden. Weiterhin können auch mehr als drei Codespu­ ren vorgesehen sein. Das Codewort C muß nicht zwingend durch Kombina­ tion bzw. Vergleich von Unterteilungswerten erzeugt werden, die Codespu­ ren können auch einen Gray-Code bilden.

In vielen Fällen wird einer Folgeelektronik - z. B. einer numerischen Steue­ rung - außer dem absoluten Positionswert C zusätzlich das analoge Abtast­ signal der feinsten Codespur zugeführt. In der Folgeelektronik kann somit zusätzlich eine inkrementale Positionsmessung durchgeführt werden. Es ist auch bekannt, daß dieser somit ermittelte inkrementale Positionsmeßwert mit der absoluten Position C verglichen wird, um Fehlfunktionen der Positi­ onsmeßvorrichtung und Übertragungsfehler zu erkennen. Um auch in die­ sem Fall einen korrekten Bezug zwischen dem absoluten Positionswert C und dem inkrementalen Positionswert zu erhalten, ist es vorteilhaft, anstelle des Abtastsignales S5 die anderen Abtastsignale S3 und S4 um den Pha­ senwinkel (-ϕ) zu korrigieren. In diesem Fall dient das Abtastsignal S5 mit der Phasenverschiebung ϕ als Bezug, zu dem die anderen Abtastsignale S3, S4 synchronisiert werden müssen.

Der Auswerteeinheit werden bevorzugt nicht nur die gezeigten Abtastsignale zugeführt, sondern auch die jeweils um 90° dazu phasenverschobenen Ab­ tastsignale, dies hat den Vorteil, daß auf einfache bekannte Weise eine Detektion der Bewegungsrichtung sowie eine einfache Unterteilung der Ab­ tastsignale möglich wird.

Die Codespur mit der kleinsten Teilungsperiode kann auch zur inkrementa­ len Positionsmessung benutzt werden.

Der Begriff Abtastelement beinhaltet auch die gesamte Beschaltung des Fotoelementes, also auch eventuell nachgeschaltete Verstärkerbausteine.

Die Erfindung ist nicht auf das lichtelektrische Abtastprinzip beschränkt, sie ist bei lichtelektrischen, kapazitiven, magnetischen und induktiven Längen- sowie Winkelmeßvorrichtungen einsetzbar.

Claims (6)

1. Positionsmeßvorrichtung mit einem Codeträger (1), welcher mehrere Codespuren (3, 4, 5) unterschiedlicher Teilungsperioden (TP3, TP4, TP5) aufweist und zur Erzeugung von positionsabhängigen elektrischen Abtastsignalen (S3, S4, S5) von mehreren Abtastelementen (6, 7, 8) abgetastet wird, wobei zumindest eines der Abtastsignale (S5) eines Abtastelementes (8) einer Korrektureinrichtung (10) zur Korrektur einer frequenzabhängigen Phasenverschiebung zugeführt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein erster Baustein (12) zur Bestimmung der mo­ mentanen Frequenz (f) eines der Abtastsignale (S5) vorgesehen ist, und daß diese Frequenz (f) einem zweiten Baustein (10.1) zugeführt wird, welcher in Abhängigkeit der momentanen Frequenz (f) einen Kor­ rekturwert (ϕ) ausgibt, der in einer Verknüpfungsschaltung (10.2) mit einem der Abtastsignale (S5) kombiniert wird, und daß der zweite Bau­ stein (10.1) einen Speicher aufweist, in dem zumindest ein die Phasen­ verschiebung eines Abtastelementes (8) definierender Wert (ϕ, f_G) ab­ gespeichert ist.

2. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher die Grenzfrequenz (f_G) des Abtastelementes (8) abgespeichert ist, und daß der Korrekturwert (ϕ) nach folgender Bezie­ hung ermittelt wird: ϕ=arc tan f/f_G.

3. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher eine Tabelle von Korrekturwerten (ϕ) in Abhängig­ keit der Frequenz (f) abgespeichert ist, wobei die Frequenz (f) die Adresse zum Auslesen eines bestimmten Korrekturwertes (ϕ) dieser Tabelle ist.

4. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Signalperiode (P3, P4, P5) der Abtastsignale (S3, S4, S5) in Unterteilungsschaltungen (13, 14, 15) in eine vorgegebene Anzahl von Schritten (0 bis 256) unterteilt wird, und daß die momentanen Untertei­ lungswerte (U3, U4, U5) der Abtastsignale (S3, S4, S5) einer Vorrich­ tung (16) zur Bildung einer absoluten Position (C) zugeführt werden.

5. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert (ϕ) eine bestimmte Anzahl von Schritten ist, die zu dem Unterteilungswert (U5) des zu korrigierenden Abtastsignales (S5) addiert wird.

6. Positionsmeßverfahren, bei dem mehrere Codespuren (3, 4, 5) eines Codeträgers (1) von mehreren Abtastelementen (6, 7, 8) einer Ab­ tasteinrichtung (2) abgetastet werden und dadurch mehrere elektrische Abtastsignale (S3, S4, S5) unterschiedlicher Frequenz (f) erzeugt wer­ den, wobei eine frequenzabhängige Phasenverschiebung zumindest ei­ nes der Abtastsignale (S5) eines Abtastelementes (8) in einer Korrek­ tureinrichtung (10) korrigiert wird, gekennzeichnet durch folgende Ver­ fahrensschritte:

• a) Bestimmung der momentanen Frequenz (f) eines der Abtastsignale (S5),
• b) Bestimmung eines Korrekturwertes (ϕ) in Abhängigkeit der momen­ tanen Frequenz (f),
• c) Korrektur zumindest eines der Abtastsignale (S5) durch Verknüp­ fung des Momentanwertes des Abtastsignales (S5) mit dem Kor­ rekturwert (ϕ).