专利名称：用于角度测量的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求I的用于角度测量的装置以及一种根据权利要求9的用于角度测量的方法。根据本发明的装置或用于角度测量的方法尤其可在测量带有较大直径的轴的角位置时以及在圆工作台中和在望远镜应用中决定性地改善精度。
背景技术：
用于测量轴(例如圆工作台)的角位置的高精度的量角器是已知的。带有测量系统侧的轴和自支承(Eigenlagerung)的变体例如在书“Digitale Laengen- undWinkelmesstechnik”，A. Ernst, Moderne Industrie 出版社，第 3 版 1998 年，61-64 页中进行说明。为了达到较高的精度，一方面在测量系统中必须使用非常精确的且因此非常 昂贵的精密轴承，另一方面必须动用较高的耗费，以便借助于合适的离合器将测量系统的轴(其承载带有径向的测量刻度的分度盘)与待测量的轴相连接。另外，从上述书第64-70页已知不带自支承的量角器，在其中旋转对称的测量刻度或相应的分度盘被直接布置在待测量的轴上。用于探测(Abtasten)测量刻度的相应的探测单元相对于扭转的分度盘静止地来布置。作为测量刻度，在这些量角器中使用带有直至36000个径向刻度线(Strich)的增量刻度(Inkrementalteilung),其中，角分辨率通过插值(Interpolation)来进一步提高。在理想情况中，对于这样的量角器角度测量的精度现在仅取决于将测量刻度施加到分度盘上的精度且取决于探测单元的测量误差。然而在实际中，分度盘且因此测量刻度的旋转运动受制造公差限制总是具有偏心误差以及摆动误差。这一方面在于，分度盘的中心绝不可能精确地处于待测量的轴的旋转轴线上，而另一方面，分度盘的旋转轴线和待测量的轴不可能精确对齐地布置。作为由此的结果，测量刻度关于探测单元的距离和位置在待测量的轴的转动内变化，由此在角度测量时产生测量误差。为了尤其对于用于带有较大直径的轴、圆工作台或望远镜应用的较大的量角器降低用于精密轴承和精密离合器以及用于机械调整的较高的费用，申请人的文件DE 199 07326 Al提出在分布在分度盘的周缘上的多个探测位置处探测测量刻度并且评估由此产生的正弦信号并且修正偏心误差或摆动误差。然而,代替增量道(Inkrementalspur),现代的量角器优选地使用经绝对编码的码道(Codespur)。该码道例如是多道式的编码(例如格雷码)或者单道式的链码，所谓的“伪随机码(Pseudo Random Code) ”(PRC)。这具有该优点，即在每个时刻可通过探测码道直接确定绝对的角位置。然而，在文件DE 199 07 326 Al中所提出的信号处理不可被用于绝对编码的码道。
发明内容
因此本发明的目的是说明一种带有改善的精度的绝对的量角器。该目的通过根据权利要求I的装置来实现。该装置的有利的细节由从属于权利要求I的权利要求得出。现在提出一种以量角器的形式的用于角度测量的装置，其包括
刻度架(TeilungStraeger),其具有同心于其中心布置的码道，
至少两个用于通过探测码道来确定刻度架的角度值的探测单元，
控制单元，其带有用于与后续电子装置(Folgeelektronik)通讯的仪器接口和至少一个用于与探测单元的接口通讯的接口，
其中，控制单元包括处理单元，由其经由至少一个接口可请求探测单元的角度值且可 处理成修正的角度值且修正的角度值可经由仪器接口可传输至后续电子装置。另外，本发明的目的是说明一种方法，利用其可改善这样的绝对的量角器的精度。该目的通过一种根据权利要求9的方法来实现。该方法的有利的细节由从属于权利要求9的权利要求得出。现在提出一种用于以根据权利要求I所述的量角器进行角度测量的方法，其具有以下步骤
请求该至少两个探测单元的角度值，
将角度值处理成修正的角度值并且 将修正的角度值传输至后续电子装置。
根据附图从接下来的说明中得出本发明的另外的优点以及细节。其中
图I显示了根据本发明的量角器的第一实施例的方框图，
图2显示了根据本发明的量角器的控制单元的第一实施形式的方框图，
图3显示了根据本发明的量角器的控制单元的第二实施形式的方框图，
图4显示了根据本发明的量角器的控制单元的第三实施形式的方框图，
图5显示了根据本发明的量角器的另一实施例的方框图。具体实施形式
图I显示了根据本发明的量角器10的第一实施例的方框图。其包括作为刻度架的圆形的或环形的码盘20 (其带有在径向上围绕码盘20的中心M布置的码道25)、四个探测单元30、31、32、33以及控制单元40。为了量角器10的运行，码盘20抗扭地被与待测量的轴相连接，使得其围绕其中心M与待测量的轴的旋转轴线一起转动。码盘20携带有可光电地、磁性地、电容地或电感地被探测的码道25。根据本发明，码道25包括绝对编码的刻度，例如以多道式的编码(例如格雷码)或单道式的链码(伪随机码，PRC)的形式。为了提高量角器10的分辨率，附加地可平行于绝对编码的刻度布置有带有增量刻度的另一道(未示出)。如开始所说明的那样，在待测量的轴与码盘20机械连接时由于不可避免的公差出现偏心误差和摆动误差。这不仅适用于不带自支承的量角器10(在其中码盘20直接布置在待测量的轴上)，而且适用于自支承的量角器10，其本身包括轴(码盘20抗扭地固定在其处且其又与待测量的轴经由联轴节相连接)。探测单元30、31、32、33合适地来设计，以便探测码道25且从探测信号确定码盘20的和因此待测量的轴的绝对的角度值。在此，物理学的探测原理对于本发明不重要。在该示例中，探测单元30、31、32、33以定义的角距分布地在码盘20的周缘上位置固定地布置，探测单元30、31、32、33之间的角距例如各为90°。由此在确定探测单元30、31、32、33的绝对的角度值时得出的偏差可已在探测单元30、31、32、33中被考虑或也可在控制单元40中在确定修正的角度值时才被考虑。尽管在图I中的实施例中使用四个探测单元30-33，但是本发明不确定于该数量。重要的是，为了确定修正的角度值存在至少两个探测单元。为了输出绝对的角度值，探测单元30、31、32、33具有数字接口 35、36、37、38。不仅可使用带有4位(半字节)、8位(一个字节)或16位(一个字)的优选的数据宽度的并行接口而且可使用串行的接口。特别合适的串行接口在此是已知的用于位置测量仪的标准接口(例如EnDat或SSI)。但是此外也可使用场总线系统(例如CAN-总线、Interbus-S、SERC0S)或可被概括在上位概念“实时-以太网”下的接口。相应地，这些接口连接(如在图I中所示)可以是点对点连接，但是也可存在带有线结构或环结构的总线连接。为了在控制单元40与探测单元30-33之间的通讯，在控制单元40中设置有接口45-48，其经由相应的信号线与探测单元30-33的接口 35-38相连接。信号线可以是传统的电线，然而在控制单元40与探测单元30-33之间空间距离较大的情况下使用光波导作为信号线且使用光学接口作为控制单元40的接口 45-48或探测单元30-33的接口 35-38可以是有利的。经由仪器内的接口连接可将在探测单元30-33中所确定的绝对的角度值传输至控制单元40。另外，控制单元40为了与后续电子装置100的通讯包括仪器接口 42。其有利地同样是串行的数据传输接口，对此的突出示例又是EnDat、SSI或实时-以太网接口。
另外，在控制单元40中设置有处理单元41。其用于由探测单元30-33经由相应的接口连接请求角度值、用于在使用所请求的角度值的情况下形成修正的角度值以及用于将修正的角度值经由仪器接口 42传输至后续电子装置100。此外，处理单元41可对从探测单元30-33到达的角度值检查可信性(Plausibilitaet)且在超过确定的公差阈值的偏差的情况下经由仪器接口 42发送报警或者报错到后续电子装置100处。对于与可靠性相关的应用，如此设计处理单元41使得至少两个修正的角度值(其基于不同的探测单元30-33的角度值)可产生且可传输至后续电子装置100是有利的。以该方式，通过在后续电子装置100中的比较能够可靠地揭示在产生或传输修正的角度值时的误差。尤其对于非常大的量角器10 (在其中，码盘20、探测单元30-33以及控制单元40不可共同地布置在壳体中，而是单独地作为单个部件被装配)，将控制单元40和探测单元30-33中的一个(在图I中探测单元30)联合成主探测单元50是有利的。由此一方面使量角器10的装配容易，另一方面相应的接口 35、45的接口连接可更简单地来实施。根据本发明的量角器10的特别的优点是，从后续电子装置100这方面关于与仪器接口 42的通讯相对于与如从现有技术已知的量角器的通讯识别不出区别，但是仍然达到明显改善的测量精度。因此，现有的设备也可利用根据本发明的量角器10来改装且在其精度上被改善，而不须被接合到后续电子装置100中。图2显示了根据本发明的量角器10的第一实施形式的控制单元40的方框图。与图I相联系地已说明的功能块携带相同的附图标记。为了确定修正的角度值，处理单元41包括外插单元410、节拍发生器(Taktgenerator) 420、时间测量单元430以及修正单元440。外插单元410在由节拍发生器420的节拍信号所确定的时间间隔中经由接口45-48由探测单元30-33请求当前的角度值。如果现在来自后续电子装置100的位置请求指令经由仪器接口 42到达，则外插单元410从各探测单元30-33至少 两个最新的角度值确定外插的角度值。时间测量单元430测量对于外插所需的在各探测单元30-33最后的角度值的请求与位置请求指令到达的时刻之间的时间。外插的角度值被输送给修正单元440，其例如通过由外插的角度值形成平均值将它们处理成修正的角度值。该值经由仪器接口 42被发出到后续电子装置100处。图3显示了根据本发明的量角器10的另一实施形式的控制单元40的方框图。与图I相联系地已说明的功能块这里也携带相同的附图标记。在该实施例中，处理单元41包括修正单元510和修正值确定单元520。可选地,处理单元41还可包含节拍发生器530。这里如果来自后续电子装置100的位置请求指令到达，则修正值确定单元520经由接口 45-48请求探测单元30-33的当前的角度值且确定适合于修正当前从主导的探测单元33到达的角度值的修正值。修正值确定单元520对此有利地如此来设计,使得当前的角度值的请求以尽可能少的时间延迟且对于所有的探测单元30-33同时实现。所确定的修正值被输送给修正单元510，其修正当前从主导的探测单元33到达的角度值且经由仪器接口42发出到后续电子装置100处。关于量角器10的反应时间(也就是说在位置请求指令的到达与当前的修正的角度值的发出之间的时间)，当不使用从当前到达的角度值所确定的修正值而是使用在先前的位置请求指令到达时所确定的修正值作为传输到用于确定修正的角度值的修正单元510处的修正值时，证实为有利的。因为偏心误差或摆动误差是长期的误差，所以这是可能的，即修正值在角度变化较小的情况下仅不显著地变化。此外，量角器10在后续电子装置100的运行中通常周期性地以较短的时间间隔(即以较高的询问频率)被询问。以该方式，尤其在待测量的轴的转速较慢的情况下或在后续电子装置100的询问频率较高的情况下，实现改善的反应时间而不明显降低测量精度，因为修正值在位置请求指令到达的时刻已可供使用。对此在另一改善方案中，探测单元30-33的当前的角度值的请求和修正值在修正值确定单元520中的确定可由可选的节拍发生器530来控制。由此确保，连续地确定新的修正值且因此在位置请求指令到达时非常新的修正值始终已可供使用。为了避免在主导的探测单元33中内部的、由节拍发生器530所控制的与外部的、经由仪器接口 42到达的当前的角度值的请求在时间上冲突，主导的探测单元33可被排除确定新的修正值。在该情况中，新的修正值仅在使用保留的探测单元30-32的角度值的情况下来确定。图4显示了根据本发明的量角器10的另一实施形式的控制单元40的方框图。与图I相联系地已说明的功能块这里也携带相同的附图标记。该实施形式基于该认识，即在量角器10的周期性的运行中位置请求指令从后续电子装置100经由仪器接口 42到达的时间间隔是已知的。除了修正单元610之外，现在设置有触发单元620，其控制探测单元30-33的新的角度值的请求以及修正的角度值的确定。触发单元620对此发送触发信号到修正单元处。触发信号的定时如此来测定，使得其在后续电子装置100的位置请求指令的最后的到达之后、然而已在当前的位置请求指令的到达之前的规定的时间被产生。这导致，在对位置请求指令的周期性的运行中可立即将当前的修正的角度值发送至后续电子装置。触发单元620什么时候必须将触发信号发送到修正单元610处的信息例如可经由仪器接口 420来告知触发单元620。图5显示了根据本发明的量角器10的另一实施例的方框图。不同于图I中的实施例，量角器10包括环200作为刻度架，在其柱形的外表面上布置有码道25。在该实施例中，码道25包括绝对编码的刻度125以及增量刻度126。环200例如由钢来制成且在专业圈中也被称为“滚筒”。有利地，刻度道125、126横向于测量方向的刻度线长度在此如此来实施，使得其大于由探测单元30-33所需的探测长度，从而环200相对探测单元30-33的轴向移动不引起测量值失真。
特别在环200的外径较大时，绝对编码的刻度125和增量刻度126不被直接施加到环200上，而是以钢带的形式，其携带刻度道125、126且被置入处于环的外径中的槽中且利用螺丝扣(Spannschloss)来张紧。由原理决定,如在图5的部段A中所示，在此产生碰撞部位(StoSSStelle)S。在以探测单元30-33驶过碰撞部位S时，在所读出的角度值中可产生跳跃。为了使其对修正的角度值的形成的影响最小化，当处理单元41分择处于碰撞部位S的区域中的探测单元30-33的角度值且不用于确定修正的角度值时，是有利的。 还应指出的是，在控制单元40的实现中、尤其在根据图2-4所说明的实施例中，不强制必需为了确定修正值将所有探测单元30-33的角度值完全传输至控制单元40。由摆动误差和/或偏心误差所引起的角度值的偏差在相对小的角度范围中移动。因此仅仅完整传输主导的探测单元30-33的当前的角度值且为了其修正传输保留的探测单元30-33的如此多的低位的比特使得能够可靠地修正最大的误差大多数情况就足够。当控制单元40如此来设计使得探测单元30-33由后续电子装置100经由仪器接口 42还可单独地响应时，通常是有利的。对此，例如可设置有特别的接口指令，其使各个探测单元30-33的选择、描述或读取成为可能。但是原则上，其它的选择或转换机构也是可能的。另外，如此实施控制单元40使得可使各个探测单元30-33无效或其角度值不被考虑用于确定修正的角度值是有利的。在该情况中，如果探测单元30-33失效或提供有错误的值，那么量角器10也还可以以降低的精度来继续运行。尤其与控制单元40的在图3中所说明的实施例相联系，可选地实施主导的探测单元33是有利的。本发明当然不限制于所说明的实施例，而是在根据本发明的思想的范畴中存在对于专业人士常用的另外的实施形式。
权利要求
1.一种以量角器(10)的形式的用于角度测量的装置，其包括 刻度架(20，200)，其具有同心于其中心布置的码道(25)， 至少两个用于通过探测所述码道(25)来确定所述刻度架(20，200)的角度值的探测单元(30-33)， 控制单元(40)，其带有用于与后续电子装置(100)通讯的仪器接口(42)和至少一个用于与所述探测单元(30-33)的接口(35-38)通讯的接口(45-48)， 其中，所述控制单元(40)包括处理单元(41)，由其经由所述至少一个接口(45-48)能够请求所述探测单元(30-33)的角度值且能够处理成修正的角度值且所述修正的角度值经由所述仪器接口(42)能够传输至所述后续电子装置(100)。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，角度值的请求能够通过从所述后续电子装置(100)到达所述仪器接口(42)处的位置请求指令发动。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述处理单元(41)另外包括节拍发生器(420，530)且角度值的请求能够由所述节拍发生器(420，530)控制。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述处理单元(41)另外包括 时间测量单元(430)，利用其能够测量在角度值的最后的请求直至位置请求指令到达所述仪器接口(42)处之间的时间， 外插单元(410)，在位置请求指令到达之后利用其能够计算外插的角度值，和 修正单元(440)，其将所述外插的角度值处理成修正的角度值。
5.根据权利要求2或3中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元(41)另外包括 用于从角度值确定修正值的修正值确定单元(520)和 修正单元(440)，利用其能够从主导的探测单元(30)的当前的角度值和所述修正值计算修正的角度值。
6.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述处理单元(41)另外包括触发单元(620)和修正单元(610)，其中，所述触发单元(620)设计成在位置请求指令到达之前已经将触发信号发送至所述修正单元(610)并且在所述触发信号到达之后能够由所述修正单元(610)请求当前的角度值且能够产生修正的角度值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测单元(30-33)中的一个和所述控制单元(40)联合成主探测单元(50)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述码道(25)包括绝对编码的刻度(125)和增量刻度(126)。
9.一种用于以根据权利要求I所述的量角器(10)进行角度测量的方法，其带有以下步骤 请求至少两个探测单元(30-33)的角度值， 将所述角度值处理成修正的角度值并且 将所述修正的角度值传输至后续电子装置(100)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述角度值的请求通过从所述后续电子装置(100)到达仪器接口(42)处的位置请求指令来发动。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述角度值的请求由节拍发生器(420，530)来控制。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于， 在角度值的最后的请求直至位置请求指令到达所述仪器接口(42)处之间的时间利用时间测量单元(430)来测量， 在外插单元(410)中从所述角度值和所测量的时间来计算外插的角度值并且 在修正单元(440)中将所述外插的角度值处理成修正的角度值。
13.根据权利要求10和11中任一项所述的方法，其特征在于， 在修正值确定单元(520)中从角度值确定用于将主导的探测单元(30)的角度值修正成修正的角度值的修正值并且 在修正单元(510)中计算所述修正的角度值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，为了确定所述修正值使用在所述位置请求指令到达之前已经被请求的角度值。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，角度值的请求和将所述角度值处理成修正的角度值在修正单元￠10)中实现且由触发单元(420)来控制，其对此已经在位置请求指令到达之前将触发信号发送到所述修正单元(610)处。
全文摘要
本发明涉及一种用于角度测量的装置和方法，以量角器(10)的形式的该装置包括·刻度架(20,200)，其具有同心于其中心布置的码道(25)，·至少两个用于通过探测码道(25)确定刻度架(20,200)的角度值的探测单元(30-33)，·控制单元(40)，其带有用于与后续电子装置(100)通讯的仪器接口(42)和至少一个用于与探测单元(30-33)的接口(35-38)通讯的接口(45-48)，其中，控制单元(40)包括处理单元(41)，由其经由至少一个接口(45-48)可请求探测单元(30-33)的角度值且可处理成修正的角度值且修正的角度值经由仪器接口(42)可传输至后续电子装置(100)。
文档编号G01B21/22GK102901479SQ20121026250
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月28日
发明者S.比尔斯基, E.施特拉泽, S.克吕策, A.科布勒, D.佩鲁辛, E.迈耶 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司