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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der Abtastsignale
inkrementaler Positionsmesseinrichtungen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Bei
Verwendung einer inkrementalen Positionsmesseinrichtung zur Positionsmessung
entstehen durch Abtastung einer periodischen Maßstabstruktur mittels einer
hierfür
vorgesehenen Abtasteinheit ausgangsseitig mindestens zwei zueinander phasenverschobene,
periodische analoge Abtastsignale. Diese werden zur Bestimmung der
Relativposition von Maßstab
und Abtasteinheit in einer nachgeordneten Auswerteeinheit ausgewertet.
Hierdurch lässt
sich die Relativposition zweier zueinander beweglicher Bauteile
erfassen, von denen das eine mit dem Maßstab und das andere mit der
Abtasteinheit verbunden ist, beispielsweise die Relativposition zweier
zueinander beweglicher Maschinenteile einer Werkzeugmaschine. Als
Auswerteeinheit dient in diesem Fall eine numerische Steuerung der
Werkzeugmaschine.
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Die
Genauigkeit der Positionsbestimmung mittels einer derartigen Positionsmesseinrichtung hängt insbesondere
von der Qualität
der erzeugten periodischen Abtastsignale ab. In Abhängigkeit
von dem der jeweiligen Positionsmesseinrichtung zugrunde liegenden
physikalischen Messprinzip sind hierbei unterschiedliche Fehlerquellen
von Bedeutung. Bei optischen Messsystemen kann es aufgrund von Ungenauigkeiten
in den reflektiven oder transmittiven Teilungsstrukturen des Maßstabes
zu einer Beeinträchtigung
der Signalqualität
kommen. Im Hinblick auf andere physikalische Messprinzipien, insbesondere
magnetische Positionsmesseinrichtungen, können beispielsweise Variationen
des Abtastabstandes oder der Temperatur zur Beeinflussung der Messresultate
führen.
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Derartige
Fehler wirken sich insbesondere bei einer nachfolgenden Interpolation
der Abtastsignale mit dem Ziel einer weiteren elektronischen Unterteilung
der analogen Abtastsignale nachteilig aus. Denn bei der Interpolation
werden eine ideale Form der analogen Abtastsignale sowie eine ideale
Beziehung zwischen diesen (z. B. eine exakt definierte Phasenverschiebung
sowie konstante Amplitudenwerte) vorausgesetzt. Als störende Fehler
sind daher vor allem unterschiedliche Amplitudenwerte der beiden
phasenversetzten Abtastsignale, ein von dem vorgegebenen, idealen
Phasenversatz abweichender Phasenversatz sowie ein Gleichspannungs-Offset
der beiden periodischen Abtastsignale anzusehen.
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Um
derartige Abweichungen der Abtastsignale von der idealen Signalform
zu korrigieren, ist es bekannt, die Abtastsignale in einer Korrektureinheit mit
Korrekturparametern zu verknüpfen,
die die fehlerbehafteten Abtastsignale in ideale Abtastsignale umwandeln,
vergleiche
DE 197
12 622 A1 . Hierzu müssen
bei jeder Signalabfrage der Auswerteeinheit Korrekturdaten zur Verfügung gestellt
werden, die mit den Abtastsignalen zur Durchführung der angestrebten Korrektur
verknüpft
werden. Dazu werden die Korrekturdaten in Stellsignale umgesetzt,
die die entsprechende Korrektur der Abtastsignale bewirken. Die
Erzeugung der Korrekturdaten wird dabei jeweils durch den Signalabruf
ausgelöst,
mit dem die Auswerteeinheit neue Abtastsignale (Messwerte des Positionsmesssystems)
zur Auswertung anfordert und erfolgt in Abhängigkeit von aktuellen Werten
der Abtastsignale. Die Signalabrufe können aufgrund definierter Abfrageraster
erfolgen, wie z. B. in der
DE
197 12 622 A1 beschrieben. Die Erzeugung der Korrekturdaten
ist der Anforde rung neuer zu korrigierender Abtastsignale seitens
der Auswerteeinheit untergeordnet und an die entsprechenden Zykluszeiten
der Signalabrufe gebunden.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Korrektur
der Abtastsignale inkrementaler Positionsmesseinrichtungen zu schaffen, das
hinsichtlich der Erzeugung der Korrekturdaten für die Abtastsignale weiter
verbessert ist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Schaffung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Danach
werden der Korrektureinheit nach jedem Signalabruf, mit dem die
Auswerteeinheit neue, zu korrigierende Abtastsignale des Positionsmesssystems
zur Auswertung anfordert, während
mindestens eines vorgegebenen Zeitabschnittes ausschließlich Abtastsignale
zugeführt,
die der Erzeugung neuer Korrekturdaten dienen.
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Es
wird also nach jedem Signalabruf (Abruf neuer Messwerte des Positionsmesssystems)
ein bestimmtes Zeitfenster (entsprechend einer Latenzzeit) reserviert,
in dem die Korrektureinheit ausschließlich für die (intern ausgelöste) Erfassung
neuer Abtastsignale mit dem Ziel der Erzeugung neuer Korrekturdaten,
nicht aber für
die (intern oder extern ausgelöste)
Zufuhr neuer zu korrigierender und auszuwertender Abtastsignale
zur Verfügung
steht.
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Hierdurch
ist sichergestellt, dass in der Korrektureinheit stets die für die Korrektur
der auszuwertenden Abtastsignale erforderlichen Korrekturdaten aus
aktuellen Abtastsignalen erzeugt werden können und zur Durchführung der
Korrektur zur Verfügung stehen.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Korrektureinheit
während
des besagten Zeitabschnittes keine neuen, zu korrigierenden Abtastsignale
zugeführt
werden können,
also die Zufuhr derartiger Abtastsignale zu der Korrektureinheit
während
dieses Zeitabschnittes unmöglich
(gesperrt) ist.
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Hierzu
kann vorgesehen sein, dass alle Signalabrufe mittels einer Logikeinrichtung
dahingehend überprüft werden,
ob sie sich auf Abtastsignale beziehen, die in der Korrektureinheit
einer Korrektur unterworfen werden sollen, oder auf Abtastsignale,
die der Er zeugung von Korrekturdaten dienen, wobei während des
vorgegebenen Zeitabschnittes keine Signalabrufe ausgeführt werden,
die sich auf in der Korrektureinheit zu korrigierende Abtastsignale
beziehen.
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Der
entsprechende Zeitabschnitt ist so zu wählen, dass er einerseits die
Erfassung der für
die Erzeugung der Korrekturdaten erforderlichen Abtastsignale gestattet
und dass er andererseits kürzer
ist als die Zeitdifferenz zwischen aufeinander folgenden Signalabrufen,
die durch das von der Auswerteeinheit vorgegebene Abfrageraster
(bzw. einen Abfragetakt) definiert ist.
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Bei
den von dem Positionsmesssystem erzeugten Abtastsignalen handelt
es sich um Analogsignale, die vor der Durchführung der Korrektur mittels eines
Analog-/Digital-Wandlers
digitalisiert werden. Bei üblichen
inkrementalen Messsystemen werden nach jedem Signalabruf zwei Abtastsignale
mit einem Phasenversatz von 90° (nach
der erforderlichen Korrektur) ausgewertet. Bei Verwendung sogenannter
interferenzieller Dreigitter-Messsysteme können jedoch auch drei Abtastsignale
mit einem idealen Phasenversatz von 120° vorliegen.
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Die
Erzeugung der (digitalen) Korrekturdaten erfolgt dabei jeweils in
Abhängigkeit
von aktuellen Werten der Abtastsignale mittels eines Mikroprozessors
oder einer festverdrahteten Logikschaltung, der oder die einen Bestandteil
der Korrektureinheit bilden kann. Zur Durchführung der Korrektur sind z.
B. in einem dem Mikroprozessor zugeordneten Arbeitsspeicher entsprechende
Korrekturalgorithmen abgelegt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand der 1 und 2 deutlich
werden, die eine Anordnung zur Durchführung der Korrektur von Abtastsignalen
eines Positionsmesssystems in einem Blockschaltbild bzw. den zeitlichen
Zusammenhang von Signalabrufen und Latenzzeiten zeigen.
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1 zeigt
eine Anordnung zur Bearbeitung, insbesondere Korrektur, analoger
Inkrementalsignale, die von einem Positionsmesssystem erzeugt werden.
Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Zählerkarte handeln, die zur
Auswertung von Messwerten eines Positionsmesssystems mittels eines Computers
in einen entsprechenden Steckplatz des Computers einsteckbar ist.
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Die
Anordnung umfasst eine Prozessoreinheit 1, der über einen
zugeordneten Signal-Eingang 2 Abtastsignale
einer Positionsmesseinrichtung in Form sinusförmiger Strom- oder Spannungssignale zugeführt werden
können.
Diese Abtastsignale können
insbesondere durch zwei um 90° zueinander phasenverschobene,
sinusförmige
Strom- oder Spannungssignale der Positionsmesseinrichtung gebildet
werden. Der Signal-Eingang 2 ist mit einem Mikroprozessor 10 der
Prozessoreinheit 1 über
einen Analog-/Digital-Wandler 20 verbunden,
der mittels einer in der Prozessoreinheit 1 vorgesehenen
Steuerung 11 gesteuert wird.
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Ferner
umfasst die Prozessoreinheit 1 einen Signalperioden-Zähler 12,
der einerseits dem Signal-Eingang 2 nachgeschaltet ist
und andererseits mit dem Mikroprozessor 10 in Verbindung
steht, sowie einen dem Mikroprozessor 10 zugeordneten Arbeitsspeicher 15.
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Dem
Mikroprozessor 10 ist zudem ein interner Einspeicher-Port 13 nachgeschaltet, über den der
Mikroprozessor 10 ausgangsseitig mit einer Einspeicher-Logik 3 verbunden
ist. Die Einspeicher-Logik ist eingangsseitig zusätzlich mit
einem (optionalen) Abruf-Eingang 4 für den externen Abruf neuer Messwerte
(Abtastsignale) der Positionsmesseinrichtung verbunden und steht
ausgangsseitig sowohl (über
den Analog-/Digital-Wandler 20) mit dem Mikroprozessor 10 als
auch mit dem Signalperiodenzähler 12 der
Prozessoreinheit 1 in Verbindung.
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Der
Prozessoreinheit 1 nachgeordnet sind ein Buskoppler 5 und
ein Bus 6, über
den die in der Prozessoreinheit 1 bearbeiteten Signale
einer Auswerteeinheit zuführbar
sind, bei der es sich vorliegend um einen Computer handelt, die
aber auch durch eine sonstige numerische Steuerung oder Motorregelung
gebildet werden kann.
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Mit
der in 1 dargestellten Anordnung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren
zur Bearbeitung der Abtastsignale inkrementeller Positionsmesssysteme
in der Weise durchführen,
dass aufgrund eines durch die Einspeicher-Logik 3 klassifizierten
und weitergeleiteten Signalabrufs, der entweder extern über den
Abruf-Eingang 4 oder intern über den Einspeicherport 13 durch
eine entsprechende Programmierung der Prozessoreinheit 1 ausgelöst wird,
mittels des hierfür
vorgesehenen Signal-Einganges 2 neue analoge Abtastsignale
(Messwerte der Positionsmesseinrichtung) in Form zueinander phasenverschobener,
analoger Strom- oder Spannungssignale dem Analog-/Digitalwandler 20 zugeführt und
dort digitalisiert werden. Diese digitalisierten Abtastsignale werden
in dem Mikroprozessor 10 der Prozessoreinheit 1 korrigiert,
wobei insbesondere Abweichungen von dem vorgegebenen Phasenversatz
der Abtastsignale (beispielsweise 90°), Abweichungen in der Amplitude
der Phasensignale sowie ein möglicher
Signal-Offset zur Erzeugung korrigierter, idealer Abtastsignale
kompensiert werden. Weiterhin können
hierbei unerwünschte
Oberwellenanteile der Eingangssignale (durch zeitgesteuertes Triggern)
eliminiert werden, welche ebenfalls zu Fehlern bei der nachfolgenden
Signalverarbeitung in der Auswerteeinheit führten. Die Prozessoreinheit 1 dient daher
insbesondere als Korrektureinheit. Die korrigierten Abtastsignale
werden anschließend
in dem Mikroprozessor 10 interpoliert. Die zur Durchführung der
Interpolation sowie der Korrektur erforderlichen Algorithmen sind
in dem Arbeitsspeicher 15 abgelegt.
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Außerdem werden
die analogen Abtastsignale von dem Signalperioden-Zähler 12 der
Prozessoreinheit 1 ausgewertet, der ausgangsseitig mit dem
Mikroprozessor 10 gekoppelt ist. Aus der Zählung der
Signalperioden sowie der Korrektur und Interpolation der Abtastsignale
ergeben sich die korrigierten Messwerte, die über den Bus 6 in serieller Form
zur weiteren Auswertung der Auswerteeinheit (Computer) zugeführt werden.
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Erfindungsgemäß wird vorliegend
nach jedem Signalabruf, d.h. nach jedem Einspeicherimpuls, der die
Zufuhr neuer, zu korrigierender Abtastsignale zu der Prozessoreinheit
1 bewirkt,
eine Latenzzeit reserviert, in der der Prozessoreinheit
1 keine
neuen zu korrigierenden Abtastsignale zugeführt werden, sondern von der
Prozessoreinheit
1 ausschließlich Abtastsignale erfasst
werden, die der Erzeugung von Korrekturdaten dienen, mit denen die vom
Positionsmesssystem erzeugten Abtastsignale unter Verwendung geeigneter,
bekannter Korrekturalgorithmen zur Schaffung idealer Abtastsignale
verknüpft
werden können.
Die Erzeugung derartiger Korrekturdaten und die Art und Weise von
deren Verknüpfung
mit den Abtastsignalen ist bekannt, so dass dies hier nicht näher beschrieben
wird. Stattdessen wird beispielhaft auf die
DE 197 12 622 A1 sowie
den darin angegebenen, weiteren Stand der Technik verwiesen.
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Der
Abruf der Erzeugung von Korrekturdaten dienender Abtastsignale erfolgt
während
der Latenzzeit über
den internen Einspeicher-Port 13 und die Einspeicher-Logik 3.
Letztere selektiert alle Signalabrufe dahingehend, ob Sie die Zufuhr
zu korrigierender Abtastsignale oder die Zufuhr der Erzeugung von Korrekturdaten
dienender Abtastsignale zu der Prozessoreinheit 1 bewirken
sollen. Erstere werden während
der Latenzzeit nicht zugelassen, also insbesondere keine extern über den
Abruf-Eingang 4 angelegten Signalabrufe. Zur Ausführung weitergeleitet werden
vielmehr nur solche Signalabrufe, die über den internen Einspeicher-Port 13 zu
der Einspeicher-Logik 3 gelangen und der Erzeugung neuer
Korrekturdaten dienen.
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2 zeigt
schematisch eine Folge externer Signalabrufe in Form von Einspeicherimpulsen
E, die jeweils in einem zeitlichen konstanten Abstand T von beispielsweise
100 μs (entsprechend
einem definierten Abfrageraster) auftreten und die Zufuhr neuer,
zu korrigierender Abtastsignale zu der Prozessoreinheit 1 (während der
Dauer des jeweiligen Einspeicherimpulses E) bewirken. Jedem dieser
Einspeicherimpulse E ist ein Zeitfenster (Latenzzeit) Δt von beispielsweise
15 bis 20 μs
zugeordnet, in dem von der Prozessoreinheit 1 keine neuen,
zunächst
zu korrigierenden und dann auszuwertenden Abtastsignale des Positionsmesssystems
sondern ausschließlich
der Erzeugung von Korrekturdaten dienende Abtastsignale zugeführt werden.
D.h., während
des besagten, dem jeweiligen Einspeicherimpuls E nachfolgenden Zeitfensters Δt können über den
Einspeicherport 3 keine zusätzlichen Signalabrufe bewirkt
werden, die zu der Zufuhr weiterer zu korrigierender und anschließend auszuwertender
Abtastsignale zu der Prozessoreinheit 1 führen würden.
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In
praktischer Anwendung kann der Beginn des jeweiligen Zeitfensters Δt auch mit
der ersten, abfallenden Flanke des jeweiligen Einspeicherimpulses
E zusammenfallen, da die Dauer der Messwerterfassung (Dauer der
Erfassung aktueller, zu korrigierender und auszuwertender Abtastsignale
des Positionsmesssystems einschließlich deren Zufuhr zum Mikroprozessor 10)
bekannt ist und in der Regel gleich der Dauer des jeweiligen Einspeicherimpulses E
ist. Das Zeitfenster Δt
ist dann so zu wählen,
dass nach der Messwerterfassung genügend Zeit für die Erfassung solcher Abtastsignale
zur Verfügung
steht, die zur Erzeugung neuer Korrekturdaten verwendet werden.
Während
dieses zweiten Abschnittes des Zeitfensters Δt werden dann keine Abtastsignale
erfasst, die zur späteren
Auswertung in einer Folgeelektronik oder dergl. korrigiert werden
müssen.
Entscheidend ist also allein, dass nach einem Messwertabruf in Form
eines Einspeicherimpulses E jeweils (in irgend einer Weise) ein
hinreichend langer Zeitabschnitt bereitgestellt wird, in dem ausschließlich solche
Abtastsignale erfasst und dem Mikroprozessor zugeführt werden,
die zur Erzeugung von Korrekturdaten dienen.