DE2952106A1

DE2952106A1 - Lichtelektrische inkrementale positioniereinrichtung

Info

Publication number: DE2952106A1
Application number: DE19792952106
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl.-Ing. 8225 Traunreut Ernst
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1979-12-22
Publication date: 1981-07-02
Also published as: GB2067282A; JPH0318130B2; US4403859A; CH649629A5; IT1136225B; IT8012759A0; DE2952106C2; GB2067282B; ATA579480A; FR2473171B1; JPS5698604A; AT385124B; FR2473171A1

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 18. Dezember 1979

Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind Positioniereinrichtungen bekannt. In der DE-OS 18 14 785 wird z.B. eine lichtelektrische Längenmeßein— richtung beschrieben, bei der neben der Inkrementalteilung noch eine Referenzmarke vorgesehen ist. In dieser Druckschrift ist die Funktionsweise einer lichtelektri— sehen inkrementalen Meßeinrichtung dargelegt. Ferner ist insbesondere die Funktion und der Aufbau einer Referenzmarke durch die Figur 2 dargestellt.

Gemäß dem Stand der Technik (DE-PS 876 162) ergibt sich an einer Markierung ein besonders günstiger Signalver— lauf, wenn die Striche der Strichgruppe in ungleichen Abständen voneinander angeordnet werden. Die Abtast— platte für diese Markierung weist demgemäß ein Ablese— feld auf, das die gleiche Strichverteilung in der Strich— gruppe hat, wie die Markierung. Bei genauer und vollständiger Oberdeckung von Markierung und Ablesefeld wird ein Signal mit ausreichend hohem Nutz-/Störsignalverhältnis erzielt.

Es ist weiterhin bekannt, eine Reihe von gleichen Referenzmarken entlang der Teilungsspur eines inkrementalen Meß— systems vorzusehen. Aus der Reihe gleicher Referenzmarken

- 4 130027/0529

können einzelne Marken durch geeignete Mittel ausgewählt und zur Wirkung gebracht werden (DE-AS 25 40 412).

In den Druckschriften kommt die Problematik inkremen— taler Meßsysteme zum Ausdruck: Nach Betriebsunterbrechungen kann nicht ohne weiteres die Anfangslage der Meßeinrichtung wiedergewonnen werden. Die beiden Druckschriften (DE-OS 18 14 785 und DE-AS 25 40 412) geben Maßnahmen an, wie diese Referenz auf möglichst einfache Weise wieder gewonnen werden kann.

Die Nachteile der bekannten Meßeinrichtung liegen jedoch darin, daß bei Ausfall einer Beleuchtung die Messung gestört wird und dies zu erheblichen Betriebsunterbrechungen mit langen Ausfallzeiten führen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine inkrementale Positioniereinrichtung zu schaffen, bei der durch den Ausfall einer Beleuchtung die momentane Messung nicht spürbar gestört wird und die genauer arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches Λ angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine lichtelektrische Positioniereinrichtung mit zwei Ablesestellen in einer schematischen Seitenansicht,

13Ö(?2"7/0529

Figur 2 einen Maßstab mit Teilungsspuren, Figur 3 eine'Abtastplatte mit Ablesefeldern,

Figur 4 eine Winkelmeßeinrichtung in schema— tischer Draufsicht,

Figur 5 die Winkelmeßeinrichtung nach Figur 4 in schematischer Schnittdarstellung,

Figur 6 eine Schaltskizze zum gleichzeitigen Betrieb zweier Lampen,

Figur 7 eine Einrichtung gemäß Figur Λ in einer schematischen Vorderansicht.

In der Figur 1 sind zwei Lampen L. und L2 in einer Abtast— baueinheit 1 angeordnet. Die Lampen L_x. und Lp sind in einem konstanten Abstand voneinander befestigt. Eine Ab— tastplatte A weist Ablesefelder Am, A'„,. und A¹^p auf. Ein Maßstab M trägt auf Teilungsspuren eine Inkrementalteilung T sowie Referenzmarkierungen R',. und R'p. Die Abtastbauein— heit Λ ist relativ zum Maßstab M verschiebbar gelagert. Bei Relativbewegungen zwischen Maßstab M und Abtastbaueinheit 1 wird die Abtastplatte A entlang der Teilungsspuren in bekannter Weise geführt. Der von den Lampen L^ und L₂ ausgehende Lichtstrom tritt dabei sowohl durch die Abtast— platte A als auch durch den Maßstab M. Dabei wird der hin— durchtretende Lichtstrom durch die auf beiden Elementen A und M vorhandenen Hell—/Dunkelfelder der Teilungsspuren in bekannter Weise moduliert. Der modulierte Lichtstrom trifft auf lichtempfindliche Elemente P, deren Signale in einem Auswertebaustein B in bekannter Weise aufbereitet und einem Vorwärts—Rückwärtszähler VR zugeführt werden, der den Ver— schiebeweg digital anzeigt.

In der Beschreibung und in den Figuren wird darauf verzichtet, die Vorwärts-Rückwärtszählung durch vor— oder nacheilende

130027/0529

Signale zu erörtern, da dies in zahlreichen Druckschriften ebenso ausführlich dargelegt ist, wie die Eliminierung von Gleichstromanteilen, die sich auf die Signalsymmetrie auswirken könnten. Ss sei nur darauf verwiesen, daß zu diesen Zwecken zusätzliche Ablesefelder und lichtempfindliche Elemente vorzusehen sind, die in bestimmter Zuordnung die Inkrementalteilung abtasten und in bekannter Weise schaltungstechnisch verknüpft werden müssen. Da derartige Maßnahmen bei der Darstellung der Erfindung jedoch eher verwirren, wurde auf die Darstellung dieser bekannten Einzelheiten verzichtet.

Die Ablesefelder A^,, A ¹^,. und A'gp müssen exakt um einen bestimmten Betrag zueinander versetzt liegen, da die resultierenden Abtastsignale durch analoge Addition zusammengefaßt werden. Daraus ergibt sich eine höhere Genauigkeit, da eine insgesamt größere Fläche der Teilung abgetastet wird. Unsauberkeiten der Teilung haben kleinere Signalfehler zur Folge.

Die Figur 2 zeigt einen Maßstabausschnitt, bei dem auf einer Teilungsspur des Trägerkörpers M eine Inkrementalteilung T mit bestimmter Gitterkonstante aufgebracht ist. Eine zweite Teilungsspur weist Referenzmarken R¹^ und R'p auf. Jede der Referenzmarken R'^. und R¹ ρ besteht aus einer Gruppe paralleler Striche. Die Verteilung der Striche innerhalb der jeweiligen Gruppe ist unregelmäßig. Von entscheidender Bedeutung ist dabei, daß die Strichverteilung innerhalb einer Gruppe eindeutig ist. Die Verteilung der Striche in einer Strichgruppe muß der Verteilung der Striche in den Strichgrappen der anderen Referenzmarken möglichst unähnlich sein.

In der Figur 3 ist eine einfache Abtastplatte A mit Ablese—

- 7 -130027/0529

feldern A_T, A'_RxJ und A'_R2 gezeigt. Die Strichverteilung der Ablesefelder A'_R/J bzw.*A'_R2 für die in Figur 2 gezeigten Referenzmarken R* bzw. R'o gleicht dabei vollständig der Strich verteilung der zugehörigen Referenzmarke R¹^ bzw. R'g. Bei Deckung von Referenzmarke und zugehörigem Abtastfeld wird in bekannter Weise ein Referenzimpuls hervorgerufen. Bei phasenrichtiger Anordnung von Referenzmarken und Abtastfeldern muß im Augenblick der exakten Deckung der Markierungen und der Abtastfelder jede der beiden Referenzmarken R¹^ und R*2 ein Referenzsignal hervorrufen. Diese Signale werden analog addiert. Es erscheint also nur ein Referenzsignal mit hohem Pegel. Durch die Identität der Strichverteilung von Referenzmarke R¹ * und Abtastfeld A'_Rrf. bzw. die Identität der Strichverteilung von Referenz— marke R¹ρ und Abtastfeld A'_Rp ist sichergestellt, daß nur das zur jeweiligen Referenzmarke gehörige Abtastfeld ein Referenzsignal mit ausreichend großem Nutz-/Störsignal— verhältnis hervorbringen kann. Werden die Abtastfelder an der jeweils nicht zugehörigen Referenzmarke vorbeibewegt, kann kein Referenzsignal hervorgerufen werden.

Obwohl an verschiedenen Stellen des Maßstabes M Referenz— marken R'* und R¹ρ angeordnet sind, wird beim Überfahren dieser Marken nur an einer bestimmten Stelle des Maßstabes M ein Referenzsignal hervorgerufen. Damit ist der Bezug zur Referenzmarke immer eindeutig. Bei Ausfall einer Beleuchtung L₁* oder L~ wird weiterhin an der bestimmten Stelle des Maßstabes M ein Referenzsignal hervorgerufen werden. Die zur ausgefallenen Lampe L^ oder L^ gehörige Referenzmarke R\ oder R*ρ kann kein Referenzsignal mehr liefern. Im ungünstigsten Fall wird der Signalpegel des ▼erbleibenden Referenzsignales geringer. Durch richtiges Einstellen der Triggerschwelle kenn dieser Nachteil belanglos werden. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung

- 8 130027/0529

dieses Nachteiles kann mit einer Schaltungsmaßnahme gemäß Figur 6 realisiert,werden.

Mit Hilfe eines gemeinsamen Vorwiderstandes R werden die Lampen L^. und Lp mit einer reduzierten Spannung betrieben, was eine geringere Helligkeit und damit einen geringeren Fotostrom am Ausgang der lichtempfindlichen Elemente P zur Folge hat. Durch die analoge Addition der Abtastsignale wird jedoch ein Signalpegel erzielt, der höher ist, als der der reduzierten Einzelsignale. Auf den höheren — aus den addierten Signalen gewonnenen — Signalpegel wird die Triggerschwelle im Auswerte— baustein B eingestellt. Bei Ausfall einer Lampe L,- oder L~ reduziert sich der Spannungsabfall am Vorwiderstand R und die noch betriebsfähige Lampe L, oder Lp wird mit der sich ergebenden höheren Spannung betrieben. Dadurch erhöht sich die Beleuchtungsstärke am lichtempfindlichen Element P, was eine direkte Erhöhung des Signalpegels an dessen Ausgang zur Folge hat. Die einschlägigen Kennlinien zeigen, daß die mit höherer Betriebsspannung betriebene verbleibende Lampe ein etwa gleich großes Abtastsignal liefert, wie das aus Addition gewonnene Abtastsignal. Die Trigger— schwelle muß dabei nicht verändert werden. Die Dimensionie— rung der dabei zusammenwirkenden Elemente liegt im Können eines Durchschnittsfachmanns, so daß darauf nicht näher eingegangen werden muß.

In der Figur 4 ist schematisch eine Winkelmeßeinrichtung dargestellt, die zusätzlich zur Winkelteilung Tw über vier Referenzmarken IL, R₂, R* ^{un<a R}/j. verfügt. Auch hier weisen die Referenzmarken R^, Rp, R, und R^ jeweils eine unterschiedliche unregelmäßige Strichverteilung auf. Die Ab— tastplatte A enthält neben den Ablesefeldern zur Abtastung der inkrementalen Winkelteilung Tw vier weitere Ablese-

- 9 -130027/0529

felder, deren Strichverteilung genau der jeweils zugehörigen Referenzmarke R,. bis R^ entspricht. Aus zeichen— technischen Gründen können in Figur 4- die Ablesefelder nicht im einzelnen dargestellt werden, ,jedoch entspricht die beschriebene Abtastplatte A sinngemäß der Abtast— platte A bei der Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1 bis 3·

Figur 5 zeigt, daß jeder der Ablesestellen eine Beleuchtungseinrichtung mit Lampe L^. bis L^, Kondensor K^. bis K^ und lichtempfindlichem Element P^,- bis Pj^ zugeordnet, ist. Darüber hinaus sind noch lichtempfindliche Elemente P^ bis Pm^ vorgesehen, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll, da sie ebenso wie bei der vorher beschriebenen Längenmeßeinrichtung der inkrementalen Erfassung einer Strecke — hier eines Bogens — in bekannter Weise dienen. Im Auswertebaustein Bw wird in bekannter Weise die analoge Addition der vier Abtastsignale und deren Aufbereitung vorgenommen. Der Auswertebaustein Bw ist in bekannter Weise mit einem Vorwärts—/Rückwärtszähler gemäß Figur 1 verbunden.

Auch bei der Winkelmeßeinrichtung erhöht sich durch die er— findungsgemäße Mehrfachabtastung in der vorher beschriebenen Weise die Genauigkeit. Darüber hinaus wird durch eine "Durch-.messerablesung" der Exzentrizitätsfehler der Teilung eliminiert. Eine Durchmesserablesung für optische Winkelmeß— einrichtungen ist in der DE-PS 24- $4 915 bereits beschrieben.

Da jede der Referenzmarken R,, bis R^ eine spezielle Strich— verteilung hat, und die zugehörigen Ablesefelder A_R<. bis Ag^ der Abtastplatte A über die identische Strichverteilung verfügen, ist auch bei der gezeigten Winkelmeßeinrichtung ein eindeutiges Referenzmarkensignal zu erzeugen. Der Aus fall einer Lampe L^ bis L^ beeinflußt die Messung nicht.

- 10 130027/0529

Besonders vorteilhaft, läßt sich die Auswerteschaltung so ausgestalten, daß bei Ausfall einer Lampe eine Signaleinrichtung diesen Fehler meldet.

Die Figur 7 zeigt schematisch die Anordnung der Teilungs— spuren nebeneinander. Der hier dargestellte Schnitt entspricht einer Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1.

Selbstverständlich lassen sich verschiedene Referenzmarken auch auf weiteren parallelen oder konzentrischen Teilungs— spuren anordnen und abtasten, wenn die Verwendung der Meßeinrichtung dies erfordert.

Die Erfindung ist auch nicht auf lichtelektrische inkre— mentale Positioniereinrichtungen, die im Durchlichtverfahren arbeiten beschränkt, sondern läßt sich sinngemäß auch bei Einrichtungen verwirklichen, die im Auflichtver— fahren arbeiten.

130027/0529

Claims

DR. JOHANNES HEIPJWATN G^BH 18. Dezember 1979 Ansprüche

1.)!Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte mit einer Abtasteinheit zum Abtasten einer Maßverkörperung, die außer einer Inkremental teilung wenigstens zwei Referenzmarken — jeweils in Form einer Gruppe von Markierungsstrichen mit unregelmäßiger Strichverteilung — aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Abtasteinheit (1) enthält wenigstens eine Abtast— platte (A),

b) die Abtastplatte (A) weist Ablesefelder (A„, bzw. Aw) für die Inkrementalteilung (T bzw. Tw) und Ab— lesefelder (A'_R1, A'_R2 bzw. A_Rx), A_R2, A_R^, A_R4) — jeweils in Form einer Gruppe von Markierungsstrichen mit unregelmäßiger Strichverteilung - für die Referenzmarken (R¹^₁, R'₂ bzw. R₁, R₂, R₅, R^) auf,

c) jeweils nur ein Ablesefeld (A'_R/i, A'_R2 bzw. A_R^, A_R2, A_R,, A_R^) in Form einer Gruppe unregelmäßig verteilter Markierungsstriche ist identisch mit nur einer Referenzmarke (R',., R'₂ bzw. R^, R~, R*, R^.) in Form einer Gruppe unregelmäßig verteilter Markie— rungsstriche und mit dieser in Deckung bringbar,

2.) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ver-

130027/0529 ORIGINAL INSPECTED

schiedenen Referenzmarken (R',., R'ο bzw. R,., Rp, R,, R^) auf einer Teilungsspur angeordnet sind.

3·) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abtaststelle eine Beleuchtung (L,., Lp, L,, L^) zugeordnet ist.

4.) Lichtelektrische inkrementale Winkelmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Ablesestellen diametral angeordnet sind.

5.) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß alle Beleuchtungen (L,., L2, L,, L^) über einen gemeinsamen Vorwiderstand (R) betrieben werden.

6.) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine Signaleinrichtung vorgesehen ist, die den Ausfall einer Beleuchtung (L,., Lp, L, oder L^) signalisiert.

- 3 130027/0529