DE9422281U1

DE9422281U1 - Winkelmeßeinrichtung mit mehreren Abtaststellen

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Publication number: DE9422281U1
Application number: DE9422281U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1994-01-27
Filing date: 1994-01-27
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2004-01-28

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 19. Januar 1994

Winkelmeßeinrichtung mit mehreren Abtaststellen

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

Derartige Winkelmeßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeuges bezüglich eines zu bear-) beitenden Werkstückes sowie bei Koordinatenmeßma-

schinen zur Ermittlung von Lage und/oder Abmessun- -] Q gen von Prüf Objekten eingesetzt.

Unter Winkelmeßeinrichtungen subsummiert man sowohl absolute als auch inkrementale - also relative Winkelmeßeinrichtungen, bei denen die Teilung eines Teilungsträgers von einer Abtasteinheit zur Erzeugung von periodischen Abtastsignalen abgetastet wird, aus denen in einer Auswerteeinrichtung Meßwerte für die Relativlage der beiden zueinander verschiebbaren Objekte, beispielsweise des

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Werkzeuges und des Werkstückes bzw. der beiden zugehörigen Maschinenteile der Bearbeitungsmaschine/ gewonnen werden.

Bei einer Winkelmeßeinrichtung kann die Teilung des Teilungsträgers aber partielle Teilungsungenauigkeiten aufweisen. Zudem können Exzentrizitäten zwischen der Winkelteilung und der Drehachse der beiden zu messenden Objekte auftreten. Diese vorgenannten Störeinflüsse können aber negative Auswirkungen auf die geforderte Meßgenauigkeit haben. Bei derartigen Positionsmeßeinrichtungen können aber diese negativen Störeinflüsse auf die Meßgenauigkeit dadurch weitgehend vermieden werden, daß die Teilung des Teilungsträgers von mehreren Abtasteinheiten beispielsweise an zwei oder vier Abtaststellen abgetastet und die von den Abtasteinheiten erzeugten periodischen Abtastsignale gleicher Phasenlage einander analog überlagert werden. Durch diese analoge Überlagerung der periodischen Abtastsignale können partielle Teilungsungenauigkeiten ausgemittelt werden. Mit zwei Abtasteinheiten können bei einer Winkelmeßeinrichtung Exzentrizitätsfehler und mit zwei weiteren Abtasteinheiten der sogenannte 2f-Fehler der Teilscheibe eliminiert werden.

Die US- 4,580,047-A beschreibt eine Winkelmeßeinrichtung 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-&Agr; offenbart ebenfalls eine Winkelmeßeinrichtung mit zwei Abtasteinheiten an zwei diametral gegenüberliegenden Abtaststellen, deren periodische Abtastsignale einander in analoger Form additiv überlagert werden, so daß neben der Unwirksammachung 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 Abtasteinheiten an den beiden Abtaststellen gewonnenen zwei periodischen Abtastsignale gleicher Phasenlage weisen im theoretischen Fall einer nicht vorhandenen Exzentrizität keine gegenseitige Phasenverschiebung auf. Die praktisch immer vorhandene Exzentrizität bewirkt jedoch eine gegenseitige Phasenverschiebung der beiden periodischen Abtastsignale, die bis zu einem gewissen Grad ohne nachteilige Auswirkung auf die Meßgenauigkeit zugelassen werden kann; die noch zulässige Exzentrizität sollte daher ein Zehntel der Gitterkonstanten (Periodenlänge) der Winkelteilung nicht überschreiten. 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 zweiten Abtaststelle um 90° in der Phase nach, so daß die beiden periodischen Abtastsignale einen gegenseitigen 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 Bearbeitungsmaschine bei einer Werkstückbearbeitung. In diesem Fall ist die Doppelabtastung, die im Normalbetrieb zur Erhöhung der Meßgenauigkeit dient, von Nachteil, da die beiden periodischen Abtastsignale bei ihrer Summenbildung sich gegenseitig ganz oder zumindest teilweise aufheben können, so daß fehlerhafte Meßergebnisse die Folge sind.

In der DE- 37 26 260-A ist eine Winkelmeßeinrichtung mit mehreren Abtasteinheiten an mehreren Abtaststellen beschrieben, bei der die durch eine vorliegende Exzentrizität bedingten gegenseitigen Phasenverschiebungen der gewonnenen periodischen Abtastsignale überprüft werden. Ergibt diese Überprüfung der gegenseitigen Phasenverschiebungen der periodischen Abtastsignale der verschiedenen Abtasteinheiten an den zugehörigen Abtaststellen eine unzulässige Überschreitung eines vorgegebenen Toleranzbereiches, so werden die periodischen Abtastsignale der verschiedenen Abtasteinheiten mittels einer Steuereinrichtung ungleich gewichtet; dabei werden die Amplitude des einen periodischen Abtastsignales vergrößert und die Amplitude des anderen periodischen Abtastsignales verringert, so daß eine teilweise oder sogar ganze Aufhebung bei ihrer Summenbildung vermieden wird. Diese Positionsmeßeinrichtung 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 zueinander beweglichen Elemente möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung der eingangs genannten Gattung anzugeben, bei der aus den periodischen Abtastsignalen mehrerer Abtasteinheiten an mehreren Abtaststellen die Absolutposition der relativ zueinander beweglichen, zu messenden Objekte ermittelt werden kann und die eine hohe Genauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale 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 ermittelt werden kann, wobei durch eine Mehrfachabtastung mit vier Abtasteinheiten der Exzentrizitätsfehler eliminiert und die Genauigkeit gesteigert wird.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine Winkelmeßeinrichtung mit vier Abtasteinheiten und einer Auswerteeinrichtung/

Figur 2 das Prinzip der Erfindung anhand von schematischen Darstellungen 2a bis 2c und
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Figur 3 eine mögliche Variante.

In Figur 1 ist eine Winkelmeßeinrichtung 1 schematisch dargestellt, bei der eine Teilscheibe 2 mit einer Winkelteilung 3 an einer Welle 4 befestigt ist, die mit einem nicht gezeigten drehbaren Objekt, beispielsweise einer Spindel eines Maschinentisches einer Bearbeitungsmaschine, verbunden ist. Zwei Gruppen 5, 7; 6, 8 von jeweils einander diametral gegenüberliegenden Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 sind mit einem nicht gezeigten stationären Objekt, beispielsweise dem Bett der Bearbeitungsmaschine, 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/ 6c/ 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 Abtasteinheit 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 gegenseitigen 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/ ⁷sJ 6s/ 8_S der Abtasteinheiten 5, 7; 6, 8 erörtert.

Der Mittelpunkt O der Teilscheibe 2 bzw. die Winkelteilung 3 mögen gegenüber der Drehachse 9 der Welle 4 eine Exzentrizität 3 aufweisen. Diese Exzentrizität 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 entfernen, bewirkt sein.

' Sie kann aber auch - und das ist für die Erfindung

von Bedeutung - gezielt vorgegeben sein.
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Durch diese Exzentrizität e wird eine Phasenverschiebung 2ß wirksam, die so zu verstehen ist, daß die beiden periodischen Abtastsignale 5_S, 7_S der ersten und dritten Abtasteinheit 5, 7 beispielsweise um die Phasenverschiebung +ß voreilen beziehungsweise -ß nacheilen und die beiden periodischen Abtastsignale 6_S, 8_S der zweiten und vierten Abtasteinheit 6, 8 keine Phasenverschiebung bezogen jeweils auf die geforderten Phasenlagen 0°, 90° bei ^ 25 nicht vorhandener Exzentrizität e aufweisen.

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

In entsprechender Weise gilt das Vorstehende auch für die Signale der beiden diametralen Abtasteinheiten 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 Abtastsignale 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 Winkelteilung 3 so fein unterteilt, daß ein eindeutiger Anschluß der inkrementalen Signale an daß resultierende Signal möglich ist.

Anhand der schematischen Darstellungen in der Figur 2 mit ihren Teilfiguren 2A bis 2E wird erläutert, wie die Absolutposition aus der Exzentrizität e hergeleitet wird. In Teilfigur 2A ist eine schematisierte Winkelmeßeinrichtung 1 gemäß Figur 1 dargestellt. 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 Abtastsignale 5_S, 5_C, 7_S, 7_C; 6_S/ 6_C; 8_S, 8_C in der zu Figur 1 vorbeschriebenen Weise erzeugt. Zur Vereinfachung 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 Teilfiguren 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 Winkelteilung 3 gegenüber den Abtasteinheiten 5, 6 7 und 8 zeigt.

In linearer Darstellung wird dies in der Teilfigur 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 Figur 1 dargestellten Phasenverschiebung +ß, 0, -ß, 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 Phasenverschiebung zwischen den Abtastsignalen 5_S/ 6_S/ 7_S/ 8_S oder 5_C/ 6_C; 7_C; 8_C direkt von der Exzentrizität e abhängig ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 zeigt, daß die Abtasteinheiten (53, 73; 63, 83) nicht zwangsläufig 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 Bezugszeichen wie dort, die jedoch um den Figuren-Index ergänzt sind. Zur Bestimmung der absoluten Position der Winkelteilung 33 muß in der Auswerteeinheit 103 ein Rechner installiert sein, der die Lagebeziehungen der Abtasteinheiten 53, 73; 63, 83 zueinander rechnerisch berücksichtigt und den Positionswert korrigiert.

Claims

1. Winkelmeßeinrichtung (1) mit einer um einen Drehpunkt (9) drehbaren Teilscheibe (2), die eine inkrementale Winkelteilung (3) mit dem Mittelpunkt (0) trägt und die von mehreren, am Umfang der Teilscheibe (2) angeordneten Abtasteinheiten (5, 7; 6, 8) abgetastet wird, welche zueinander 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) aufweist.

2. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Absolutposition der Winkelteilung (3) gegenüber den Abtasteinheiten (5, 7; 6, 8) in einer Auswerteeinheit (10) mittels der relativen Phasenverschiebung 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 Interpolationsschritte der Periode der inkrementalen Abtastsignale (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 Gruppe (5, 7 bzw. 6, 8) jeweils diametral gegenüberliegen und die Gruppen (5, 7; 6, 8) zueinander einen rechten Winkel einschließen.