DE2952106C2

DE2952106C2 - Lichtelektrische inkrementale Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE2952106C2
Application number: DE2952106A
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: 1982-11-04
Also published as: AT385124B; IT1136225B; IT8012759A0; GB2067282B; FR2473171B1; JPS5698604A; US4403859A; ATA579480A; FR2473171A1; CH649629A5; GB2067282A; DE2952106A1; JPH0318130B2

Description

a) Die Abtastplatte (A) weist wenigstens zwei Ablesefelder (A'm, A'_R2 bzw. A_Rt, Ar₂, Ar₃, Ar₄) für die Referenzmarken (R'\, R'₂ bzw. R₁, R₂, Ri, R*) auf;

b) jeweils nur ein Ablesefeld (A'r i, A'R₂bzv/. Ar ,, Ar₂, Ar₃, Ar₄) für die Referenzmarke (R',. R'2 bzw. A₁, A₂. Ri, A4) ist deckungsgleich mit der zugehörigen Referenzmarke (R',, R'2 bzw. R,, R2, A3, ft) auf der Maßverkörperung (M)-,

c) hinsichtlich ihrer Lage zueinander sind die untereinander unterschiedlichen Ablesefelder (A'R1, A'r2 bzw. Ar,, Ar₂, Ar₃, Ar₄) auf der Abtastplatte (A) und die untereinander unterschiedlichen Referenzmarken (R',, R'2 bzw. Ri, R₂, Rj, Ra) auf der Maßverkörperung (M) deckungsgleich.

2. Lichtelektrische inkremental Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Referenzmarken (R',, R'₂ bzw. R,, R2, Ri, Λ4) auf einer Teilungsspur angeordnet sind.

3. Lichtelektrische inkremental Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abtaststelle eine Lichtquelle (L\, L₂, L₃, L₄) zugeordnet ist

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

5. Lichtelektrische inkrementale Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Beleuchtungen (L,. L₂, Li, La) über einen gemeinsamen Vorwiderstand (R) betrieben werden.

6. Lichtelektrische inkrementale Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signaleinrichtung vorgesehen ist, die den Ausfall einer Beleuchtung (L,, L₂, L₃ oder U) signalisiert.

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische inkrementale Längen-oder Winkelmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind derartige Einrichtungen bekannt. In der DE-OS 1814 785 wird z. B. eine lichtelektrische Aufbau einer Referenzmarke durch die Figur 2 dargestellt

Gemäß dem Stand der Technik (DE-PS 8 76 162) ergibt sich an einer Markierung ein besonders günstiger Signalverlauf, wenn die Striche der Strichgruppe in ungleichen Abständen voneinander angeordnet werden. Die Abtastplatte für diese Markierung weist demgemäß ein Ablesefeld auf, das die gleiche Strichverteilung in der Strichgruppe 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 Meßsystems vorzusehen. Aus der Reihe gleicher Referenzmarken können einzelne Marken durch geeignete Mittel ausgewählt und zur Wirkung gebracht werden (DE-AS 25 40 412).

In den Druckschriften kommt die Problematik inkrementaler 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 Meßeinrichtungen 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 Längen- oder Winkelmeßeinrichtung zu schaffen, bei der durch den Ausfall einer Beleuchtung die momentane Messung nicht sprübar gestört wird und die genauer arbeitet und bei der auch die Lage des Bezugspunktes fehlersicherer reproduzierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst ♦ο Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.

Die Vorteile der Einrichtung liegen im wesentlichen in der erhöhten Betriebssicherheit der Meßeinrichtung und in der wesentlich erhöhten Fehlersicherheit während des Meßbetriebes. Die Sicherheit vor dem Verlust der sogenannten Bezugslage verdoppelt sich bei der Meßeinrichtung gemäß Anspruch 1.

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

F i g. 1 eine lichtelektrische Positioniereinrichtung mit zwei Ablesestellen in einer schematischen Seitenansicht F i g. 2 einen Maßstab mit Teilungsspuren, F i g. 3 eine Abtastplatte mit Ablesefeldern, Fig.4 eine Winkelmeßeinrichtung in schematischer Draufsicht,

Fig.5 die Winkelmeßeinrichtung nach Fig.4 in schematischer Schnittdarstellung,

Fig.6 eine Schaltskizze zum gleichzeitigen Betrieb zweier Lampen,

F i g. 7 eine Einrichtung gemäß F i g. 1 in einer schematischen Vorderansicht.

In der F i g. 1 sind zwei Lampen Li und L₂ in einer Abtastbaueinheit 1 angeordnet. Die Lampen Li und L₂

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Längenmeßeinrichtung beschrieben, bei der neben der Inkrementalteilung noch eine Referenzmarke vorgese- 65 sind in einem konstanten Abstand voneinander befehen ist In dieser Druckschrift ist die Funktionsweise stigt Eine Abtastplatte A weist Ablesefelder At, A'r ι einer lichtelektrischen inkrementalen Meßeinrichtung und A'«2 auf. Ein Maßstab M trägt auf Teilungsspuren dargelegt. Ferner ist insbesondere die Funktion und der eine Inkrementalteilung Tsowie Referenzmarkierungen

R'i und R₂. Die Abtastbaueinehit 1 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 Li und L₂ ausgehende Lichtstrom tritt dabei sowohl durch die Abtastplatte A als auch durch den Maßstab M. Dabei wird der hindurchtretende Lichtstrom durch die auf beiden Elementen A und M vorhandenen Hell-/Dunkelf eider der Teilungsspuren in bekannter Weise moduliert ι ο Der modulierte Lichtstrom trifft auf lichtempfindliche Elemente P, -leren Signale in einem Auswertebaustein B in bekannter Weise aufbereitet und einem Vorwärts-Rückwärtszähler VR zugeführt werden, der den Verschiebeweg digitahuizeigL is

In der Beschreibung und in den Figuren wird darauf verzichtet, die Vorwärts-Rückwärtszählung durch vor- oder nacheilende Signale zu erörtern, da dies in zahlreichen Druckschriften ebenso ausführlich dargelegt ist, wie die Eliminierung von Gleichstromanteilen, die sich auf die Signalsymmetrie auswirken könnten. Es 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 At, A'r ι und A'«2müssen 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 F i g. 2 zeigt einen Maßstabausschnitt, bei dem auf einer Teilungsspur des Trägerkörpers Λ/eine Inkrementalteilung T mit bestimmter Gitterkonstante aufgebracht ist Eine zweite Teilungsspur weist Referenzmarken R'\ und R'₂ auf. Jede der Referenzmarken R\ und R'2 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 Strichgruppen der anderen Referenzmarken möglichst unähnlich sein.

In der F,ig. 3 ist eine einfache Abtastplatte A mit Ablesefeldern A_T, A'r / und A¹R₂ gezeigt. Die Strich verteilung der Ablesefelder A 'r ; bzw. A 'r ; für die in F i g. 1 gezeigten Referenzmarken R\ bzw. R 2 gleicht dabei vollständig der Strichverteilung der zugehörigen Referenzmarke R'\ bzw. R'i. 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 R'\ 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 R\ und Abtastfeld A Ή, bzw. die Identität der Strichverteilung von Referenzmarke R'2 und Abtastfeld A'r2 ist sichergestellt, daß nur das zur jeweiligen Referenzmarke gehörige Abtastfeld ein Referenzsignal mit ausreichend großem Nutz-/Störsignalverhältnis hervorbringen kann. Werden die Abtastfelder an der jeweils nicht zugehörigen Referenzmarke vorbeibewegt kann kein Referenzsignal hervorgerufen werden.

Obwohl an verschiedenen Stellen des Maßstabes M Referenzmarken R'\ und R 2 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 L\ oder L₂ wird weiterhin an der bestimmten Stelle des Maßstabes M ein Referenzsignal hervorgerufen werden. Die zur ausgefallenen Lampe L\ oder Lx gehörige Referenzmarke R't oder R'2 kann kein Referenzsignal mehr liefern. Im ungünstigsten Fall wird der Signalpegel des verbleibenden Referenzsignales geringer. Durch richtiges Einstellen der Triggerschwelle kann dieser Nachteil belanglos werden. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung dieses Nachteiles kann mit einer Schaltungsmaßnahme gemäß F i g. 6 realisiert werden.

Mit Hilfe eines gemeinsamen Vorwiderstandes R werden die Lampen L\ und La 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 Signaipegel erzielt der höher ist als der der reduzierten Einzelsignale. Auf den höheren —aus den addierten Signalen gewonnenen — Signalpegel wird die Triggerschwelle im Auswertebaustein B eingestellt. Bei Ausfall einer Lampe Li oder L₂ reduziert sich der Spannungsabfall am Vorwiderstand R, und die noch betriebsfähige Lampe Li oder Li 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 Triggerschwelle muß dabei nicht verändert werden. Die Dimensionierung der dabei zusammenwirkenden Elemente liegt im Können eines Durchschnittsfachmanns, so daß darauf nicht näher eingegangen werden muß.

In der F i g. 4 ist schematisch eine Winkelmeßeinrichtung dargestellt die zusätzlich zur Winkelteilung Tw über vier Referenzmarken Ru R2, R3 und A4 verfügt. Auch hier weisen die Referenzmarken R_t, R₂, R3 und R4 jeweils eine unterschiedliche unregelmäßige Strichverteilung auf. Die Abtastplatte A enthält neben den Ablesefeldern zur Abtastung der inkrementalen Winkelteilung Tw vier weitere Ablesefelder, deren Strichverteilung genau der jeweils zugehörigen Referenzmar-. ke R\ bis A4 entspricht. Aus zeichentechnischen Gründen können in Fig.4 die Ablesefelder nicht im einzelnen dargestellt werden, jedoch entspricht die beschriebene Abtastplatte A sinngemäß der Abtastplatte A bei der Längenmeßeinrichtung gemäß F i g. 1 bis 3.

Fig.5 zeigt, daß jeder der Ablesestellen eine Beleuchtungseinrichtung mit Lampe L\ bis L4, Kondensor K\ bis Ka und lichtempfindlichem Element Pr 1 bis Pr 4 zugeordnet ist. Darüber hinaus sind noch lichtempfindliche Elemente P_Ti bis Ρτ4 vorgesehen, auf die hier nicht i.äher 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 Auswertebau-

stein 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 F i g. 1 verbunden.

Auch bei der Winkelmeßeinrichtung erhöht sich durch die erfindungsgemäße Mehrfachabtastung in der vorher beschriebenen Weise die Genauigkeit. Darüber hinaus wird durch eine »Durchmesserablesung« der Exzentrizitätsfehler der Teilung eliminiert. Eine Durchmesserablesung für optische Winkelmeßeinrichtungen ist in der DE-PS 24 54 915 bereits beschrieben.

Da jede der Referenzmarken /?i bis A4 eine spezielle Strichverteilung hat, und die zugehörigen Ablesefelder Ar 1 bis Ar 4 der Abtastplatte A über die identische Strichverteilung verfügen, ist auch bei der gezeigten Winkelmeßeinrichtung ein eindeutiges Referenzmarkensignal zu erzeugen. Der Ausfall einer Lampe L\ bis

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U beeinflußt die Messung nicht.

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

Die F i g. 7 zeigt schernatisch die Anordnung der Teilungsspuren nebeneinander. Der hier dargestellte Schnitt entspricht einer Längenmeßeinrichtung gemäß Fig. 1.

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

Die Erfindung ist auch nicht auf lichtelektrische inkremental Positioniereinrichtungen, die im Durchlichtverfahren arbeiten, beschränkt, sondern läßt sich sinngemäß auch bei Einrichtungen verwirklichen, die im Auflichtverfahren arbeiten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtelektrische inkremental Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit einer eine Inkrementalteilung und wenigstens zwei Referenzmarken aufweisenden Maßverkörperung, wenigstens einer diese M aß Verkörperung abtastenden Abtastplatte, die Ablesefelder für die Teilung und Referenzmarken aufweist, wobei die Referenzmarken jeweils aus einer Gruppe von Markierungsstrichen mit unregelmäßiger Strichverteilung bestehen, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: