AT397156B - Inkrementales messsystem - Google Patents

Description

AT 397 156 B

Die Erfindung betrifft ein inkrementales Meßsystem zum Messen von Längen und Winkeln auf optoelektronischem Wege, mit einem Inkrementalmaßstab und einer gegenüber diesem verstellbaren Abtasteinheit mit gegeneinander um Teilungsbruchteile versetzten Abtastgittern, denen je ein optoelektronischer Empfänger und eine diesen Empfänger über den Maßstab und das Abtastgitter beleuchtende 5 Leuchtdiode zugeordnet ist, so daß bei der Relativverstellung von Abtasteinheit und Maßstab in den Empfängern gegeneinander phasenverschobene, einer Sinusfunktion mit der Maßstabteilung entsprechender Signalzuglänge folgende Signale erzeugt werden, wobei die Lichtstärke der Leuchtdioden zur Feineinstellung der Signalstärke und/oder der Phasenlage einstellbar ist.

Bei solchen Meßsystemen können lineare Maßstäbe oder, bei sogenannten Drehgebem, Maßstäbe auf einer 10 Kreisteilung oder Kreisbogenteilung vorgesehen sein. Die Abtastgitter sind gegeneinander um ganzzahlige Vielfache der Maßstabteilung plus bestimmten Bruchteilen dieser Teilung versetzt In den meisten Fällen werden Phasenverschiebungen der erzeugten Ausgangssignale um 90° angestrebt, welche Phasenverschiebung im einfachsten Fall unter Verwendung von zwei entsprechend versetzten Gittern mit zugeordneten Empfängern und Beleuchtungseinrichtungen erzielbar ist, meist aber dadurch erreicht wird, daß man vier 15 gegeneinander um jeweils 90° verschobene Signale erzeugt und diese Signale paarweise in Antiparallelschaltung zusammenführt, so daß dann am Ausgang der Abtasteinheit die beiden um 90° verschobenen Signale anstehen. Durch die paarweise Antiparallelschaltung wird eine Reihe von Störfaktoren eliminiert.

Die Beleuchtungseinrichtungen können je nach dem verwendeten Abtastverfahren die optoelektronischen 20 Empfänger im Durchlicht-, Auflicht- oder Reflexionsverfahren beleuchten, wobei in dem einen Fall der Maßstab aus Glas hergestellt wird und die Leuchtdioden od. dgl. den zugeordneten optoelektronischen Empfänger durch Maßstab, Maßstabteilung und Gitterträger hindurch beleuchten, also die Leuchtdioden und die Empfänger an einander gegenüberliegenden Seiten des Maßstabes angeordnet sind. Nach anderen Möglichkeiten verwendet man Maßstäbe mit reflektierender Teilung und ordnet Gitter und 25 Beleuchtungseinrichtungen an der gleichen Maßstabseite an, so daß im zugeordneten Empfänger die stärksten Signale erhalten werden, wenn sich gegenüber einer Gitterlücke ein volles reflektierendes Maßstabinkrement befindet. Eine Zwischenlösung besteht darin, die Maßstabrückseite zu versiegeln und die Maßstabteilung und das Gitter mit dem dahinter angeordneten Empfänger durch von der Empfängerseite aber schräg auf die Reflexionsschicht aufgestrahltes Licht einer Leuchtdiode zu beleuchten. 30 In den meisten Fällen wird mit Gleichlicht gearbeitet. Die erzielten phasenverschobenen Signale können auf verschiedene Art und Weise weiterverarbeitet werden. Im einfachsten Fall wird daraus, welches der beiden Signale dem anderen voreilt, die Verstellrichtung bestimmt und es werden die Nulldurchgänge der Signale ausgetriggert und aus ihnen Zählsignale gewonnen, die einen Vor-Rückwärtszähler beaufschlagen, dessen Zählrichtung durch das der Verstellrichtung entsprechende Signal bestimmt wird. Der von der Abtasteinheit 35 zurückgelegte Weg wird in Zählsignalen ausgedrückt und im Zähler festgehalten: In gleicher Weise können Steuereinrichtungen für Maschinensteuerungen und Industrieroboter mit den Zählsignalen oder von diesen abgeleiteten Signalen beaufschlagt werden. Es gibt eine Reihe von Hilfsschaltungen zur elektronischen Unterteilung des Maßstabes oder zur Inteipolationsberechnung von Zwischenwerten. Ferner ist es auch bekannt, zur Erleichterung der Unterteilung statt mit Gleichlicht mit moduliertem Licht zu arbeiten und in 40 Sonderschaltungen aus einer im modulierten empfangenen Signal proportional dem eben anstehenden Teilungsbruchteil erzeugten Phasenverschiebung die Größe dieses Teilungsbruchteiles zu bestimmen.

Jede genaue Messung und insbesondere jede genauere Unterteilung auf elektronischem Wege ist davon abhängig, daß der vorbestimmte Phasenversatz der empfangenen Signale eingehalten wird und daß die an den einzelnen Empfängern empfangenen Signale möglichst gleich groß sind. Allgemein gesagt, sollen somit alle 45 Signale gleiche Signalform und gleiche Signalhöhe aufweisen und auch die Phasenverschiebung möglichst genau sein. Es gibt eine Reihe von Kompensationsschaltungen, mit deren Hilfe die von den optoelektronischen Empfängern erzeugten Signale nachträglich geformt und auch auf eine bestimmte Phasenverschiebung eingestellt werden können. Diese Kompensationsschaltungen erfordern aber nachträgliche Eingriffe in die Empfängerschaltung und sind mit dem prinzipiellen Nachteil behaftet, daß eben eine Umformung der 50 empfangenen Signale voigenommen wird, so daß Ungenauigkeiten möglich sind.

Bei ähnlichen Meßsystemen, bei denen aber für alle optoelektronischen Empfänger nur eine gemeinsame Beleuchtungseinrichtung vorgesehen ist, die über eine nachgeordnete Optik die optoelektronischen Empfänger durch Gitter und Maßstab hindurch beleuchtet, ist es bereits bekannt, jedem Gitter an der anderen Maßstabseite eine Lochblende vorzuordnen und die Größe der Blende durch eine quer in das Loch einstellbare Schraube zu 55 verändern. Damit kann allenfalls die Beleuchtungsstärke bei den einzelnen Empfängern variiert werden, doch kann es zu unerwünschten Nebenerscheinungen, insbesondere einer ungleichmäßigen Ausleuchtung des Gitterbereiches, zu Beugungen und zu einer unerwünschten Änderung dm1 Phasenlage der empfangenen Signale kommen, so daß diese Signale wieder über den Empfängern nachgeordnete Formerstufen hinsichtlich der Signalhöhe und insbesondere der Phasenlage korrigiert werden müssen. 60 Aus der US-PS 4 375 592 ist eine Ausführung bekannt, bei der lediglich eine Strichscheibe durch Abtastfenster hindurch abgetastet wird. Jedem Abtastfenster ist ein photoelektrischer Empfänger mit einer vorgeordneten Lochblende zugeordnet, die Beleuchtung erfolgt über Photodioden für jedes Fenster. Um zu -2-

AT397156 B verhindern, daß das Licht jeder Photodiode auf das der benachbarten Photodiode zugeordnete Fenster Mit, sind die Dioden mit Blenden versehen, deren Öffnung sich vom Diodendurchmesser trichterartig zur Austrittsseite gegenüber dem Fenster verjüngt. Bei Regelschaltungen mit gemeinsamer Beleuchtung ist es aus der US-PS 4 224 514 bekannt, zusätzlich zu den Abtastgittem ein Fenster vorzusehen und das durch dieses Fenster 5 fallende Licht mit einem Fühler zu erfassen, der am Referenzeingang einer Regelschaltung zur Steuerung des Verstärkungsgrades der an den Gittern empfangenen Signale liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßsystem der eingangs genannten Art zu verbessern, so daß mit einfachen Mitteln eine genaue Feineinstellung der Signalstärke und Phasenlage erzielt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lichtstärke der Leuchtdioden über ihnen zugeschaltete 10 Konstantstromquellen einstellbar ist und daß die Leuchtdioden in einer Platine justierbar angebracht sind, wobei die Platine aus elastisch nachgiebigem Material besteht, die Leuchtdioden mit stiftartigen Handhaben versehen und diese Handhaben in Langlöchem einer Stützplatte festlegbar sind.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch Einstellung der Lichtstärke und der genauen Lage der für jeden Empfänger gesondert vorgesehenen Leuchtdioden ein einfacher und genauer Abgleich möglich ist, 15 wobei die Signalhöhe der von den Empfängern abgegebenen Signale und auch die Phasenlage beeinflußt werden kann. Zur Signalhöhe ist festzuhalten, daß untereinander gleiche Bauteile, wie optoelektronische Empfänger, nämlich Leuchtdioden trotz genauer Herstellung Abweichungen aufweisen können, die bei gleicher Betriebsspannung und gleicher Anordnung geringe Abweichungen der abgegebenen Lichtmenge oder der Leuchtdichteverteilung wirken und bei Photodioden auch kleine Abweichungen der Empfindlichkeit bedingen 20 können. Solche Abweichungen werden durch Montage- oder Fertigungsungenauigkeiten verstärkt bzw. zusätzlich hervorgerufen. Es ist beispielsweise praktisch unmöglich, auf einer Platine die einzelnen Leuchtdioden in exakt gleicher Relativanordnung zu den Gittern und Empfängern anzuordnen. Wenn eine Leuchtdiode gegenüber dem zugeordneten Empfänger "schielt", kommt es zu einer Abweichung in der Beleuchtungsstärke und in der Phasenlage des erzeugten Signales gegenüber einer exakt ausgerichteten 25 Leuchtdiode. Erfindungsgemäß werden nun die Leuchtdioden über die Konstantstromquellen in ihrer Lichtstärke justierbar eingestellt und können zusätzlich mittels der Handhaben nachträglich ausgerichtet und dann festgelegt werden. Dabei kann die Empfängerschaltung eingeschaltet werden, wobei Signalhöhe und Phasenversatz überwacht werden und die Einstellung beendet wird, bis die Sollwerte erreicht sind.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Hg. 1 einen 30 Inkrementalmaßstab mit zugeordneter Abtasteinheit im Längsschnitt, Fig. 2 in größerem Maßstab eine Detailansicht zu Fig. 1 und Fig. 3 ein Prinzipschaltschema für die Auswertungseinheit.

Nach den Fig. 1 und 2 ist ein einen verstärkten Boden (I) aufweisendes rohrförmiges Schutzgehäuse (2) für einen Glasmaßstab (3) vorgesehen, der in einer Schwalbenschwanznut des verstärkten Bodens (1) mit Hilfe eines elastischen Klemmkörpers (4) gehalten ist und mit einem eine Inkrementalteilung tragenden Teil in die 35 Höhlung (5) des Schutzgehäuses einragt. Unten besitzt das Schutzgehäuse einen mit Dichtlippen (6) versehenen Schlitz (7), durch den ein Schwert (8) einragt, das mit dem Teil, dessen Relativverstellung zu messen ist, beispielsweise einem Werkzeugschlitten (9), gekuppelt ist. Innerhalb der Rohihöhlung (5) ist am Schwert (8) ein Meßschlitten (10) befestigt, der an beiden Seiten des Maßstabes (3) Platinen (11), (12) trägt, die beispielsweise mit Hilfe von Schrauben (13) befestigt sind. Der Meßschlitten (10) ist neben der Platine (12) 40 mit einer Hälterung (14) versehen, an der eine am Maßstab geführte Abtastplatte (15) angebracht ist, wobei ein nicht dargestelltes Zwischenglied vorgesehen ist, das eine Relativverstellung zwischen Abtastplatte (15) und Halterung (14) zuläßt, so daß die Abtastplatte (15) immer genau dem Maßstab folgt, also in Querrichtungen Relativverstellungen von Abtastplatte (15) und Meßschlitten (10) möglich sind. Die Abtastplatte (15) trägt beim Ausführungsbeispiel vier Abtastgitter, die jeweils mehrere Gitterstriche in einer da* Inkrementalteilung 45 des Maßstabes (3) entsprechenden Teilung aufweisen und die gegeneinander in Maßstablängsrichtung um eine an sich beliebige ganze Anzahl von Maßstabinkrementen und zusätzlich untereinander um eine jeweils eine Viertelteilung versetzt sind. Jedem Abtastgitter ist als Empfänger ein Phototransistor (16) bzw. eine Photodiode zugeordnet, der bzw. die von einer Leuchtdiode (17) auf der Platine (11) durch Maßstab und Gitter hindurch beleuchtet wird, so daß an den nebeneinander angeordneten Phototransistoren (16) bzw. Photodioden 50 bei der Abtastung, also der Relativverstellung von Abtasteinheit und Maßstab Signale entstehen, die gegeneinander im Idealfall um jeweils 90° versetzt sind, also beispielsweise die Phasenlagen 0°, 90°, 180° und 270° aufweisen.

Soweit bisher beschrieben, ist die Meßeinrichtung an und für sich bekannt. Es ist aber die Platine (11), welche die Versorgungsleitungen für die Leuchtdioden (17) trägt, aus elastisch nachgiebigem Folienmaterial 55 gefertigt Im Bereich jeder Leuchtdiode (17) ist an der Platine (11) ein Stift (18) angebracht, der durch ein Langloch (19) in einer zusätzlich vorgesehenen Stützplatte (20) führt Durch leichtes Kippen und/oder Verschieben des Stiftes (18) im jeweiligen Langloch (19) kann unter elastischer Verformung der Platine (11) die Relativlage und Abstiahlrichtung der jeweiligen Leuchtdiode (17) justiert werden. Nach der Justierung werden der Stift (17) und damit die jeweilige Leuchtdiode (17) durch einen in das Langloch (19) eingebrachten 60 Kittpffopfen, durch Festkleben oder durch Ausgießen des Langloches (19) fixiert

Nach Hg. 3 sind die Leuchtdioden (17) in einem Gleichspannungs-Versorgungskreis (21) parallel geschaltet Mit jeder Leuchtdiode (17) liegt eine einstellbare Konstantstromquelle (22) in Serie. Durch Einstellung der -3-

Claims (2)

1. AT397 156 B Konstantstromquelle (22) kann der Betriebsstrom der jeweiligen Leuchtdiode (17) und damit ihre Leuchtstärke eingestellt werden. Konstantstromquellen sind bekanntlich Bauteile, die unabhängig von der momentan anliegenden Versorgungsspannung, welche in weiten Bereich variieren kann, einen einstellbaren konstanten Strom abgeben. 5 Als optoelektronische Empfänger sind Photodioden (16) vorgesehen, die untereinander paarweise in Antiparallelschaltung verbunden sind. Die Abgriffe (23) dieser Antiparallelschaltungen aus den Photodioden (16) können über Steckanschlüsse der Platine (12) und ein Kabel mit einer Auswertungsschaltung verbunden werden. Diese Auswertungsschaltung umfaßt unter anderem Operationsverstärker (24), an deren Abgriffen (25) zwei um 90° phasenverschobene Signale (Sinus· bzw. Cosinussignal) anstehen. Der Platine (12) braucht 10 kein Versorgungspotential zugeführt zu werden. Für die Justierung werden vorzugsweise an die Abgriffe (25) Meßschaltungen oder Oszillographen angeschaltet, um den notwendigen Abgleich der Signalhöhe und Phasenlage durch Verstellung der Leuchtdioden bzw. Einstellung der Konstantstromquellen (22) überwachen zu können. 15 PATENTANSPRUCH 20 Inkrementales Meßsystem zum Messen von Längen und Winkeln auf optoelektronischem Wege, mit einem Inkrementalmaßstab und einer gegenüber diesem verstellbaren Abtasteinheit mit gegeneinander um 25 Teilungsbruchteile versetzten Abtastgittem, denen je ein optoelektronischer Empfänger und eine diesen Empfänger über den Maßstab und das Abtastgitter beleuchtende Leuchtdiode zugeordnet ist, so daß bei der Relativverstellung von Abtasteinheit und Maßstab in den Empfängern gegeneinander phasenverschobene, einer Sinusfunktion mit der Maßstabteilung entsprechender Signalzuglänge folgende Signale erzeugt werden, wobei die Lichtstärke der Leuchtdioden zur Feineinstellung der Signalstärke und/oder der Phasenlage einstellbar ist, 30 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstärke der Leuchtdioden (17) über ihnen zugeschaltete Konstantstromquellen (22) einstellbar ist und daß die Leuchtdioden (17) in einer Platine (11) justierbar angebracht sind, wobei die Platine (11) aus elastisch nachgiebigem Material besteht, die Leuchtdioden (17) mit stiftartigen Handhaben (18) versehen und diese Handhaben in Langlöchem (19) einer Stützplatte (20) festlegbar sind. Hiezu
2. 2 Blatt Zeichnungen 35