AT397873B - Längen- oder winkelmesssystem - Google Patents

Description

AT 397 873 B

Die Erfindung betrifft ein Längen- oder Winkelmeßsystem mit einem Maßstab und einer in Meßrichtung relativ zum Maßstab verstellbaren Abtasteinheit, wobei der Maßstab eine Meßteiiung aus absolut codierten Meßteilungselementen und aus Inkrementalteilungselementen aufweist, die Abtasteinheit Ableseeinrichtungen für die Ablesung der Teilungselemente nach optoelektronischen Abtastprinzipien aufweist und eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die aus den Signalen dieser Ableseeinrichtungen die Momentanstellung der Abtasteinheit zum Maßstab absolut bestimmt.

Bekannte absolute Meßsysteme dieser Art verwenden in vielen Parallelspuren vorgesehene Codierungsmerkmale für das Absolutsystem, die beispielsweise nach dem sogenannten Gray-Code codiert sein können, wobei für jede Einzelspur eine eigene Abtasteinheit erforderlich ist und die parallel abgelesenen Abtastsignale unmittelbar die Momentanposition der Abtasteinheit zum Maßstab angeben. Zur Erzielung einer höheren Auflösung ist es bekannt, neben den Spuren der Absolutteilung eine Inkrementalteilung vorzusehen, diese nach den bei inkrementalen Meßsystem bekannten Abtastprinzipien abzutasten und die Ausgangssignale für die Anzeige der letzten Stellen der in den ersten Stellen aus der Abtastung der Codeteilung bestimmten Gesamtanzeige zu verwenden, wobei die aus der Abtastung der Inkrementalspur erhaltenen Analogsignale in Digitalsignale umgewandelt werden und gegebenenfalls auch eine elektronische Unterteilung der Abtastsignale durch Interpolationsrechner oder Vervielfältigungsschaltungen, z. B. Potentiometerketten, vorgenommen wird. Es ist zwar eine Absolutbestimmung der Momentanposition möglich, doch sind derartige Meßsysteme äußerst aufwendig, wobei sowohl sehr breite Maßstäbe mit den aufwendig herzustellenden codierten Spuren, also auch aufwendige Abtast- und Auswertungseinrichtungen benötigt werden. Aus diesen Gründen werden bevorzugt, wo dies möglich bzw. sinnvoll ist, sogenannte quasiabsolute System verwendet, bei denen ein Inkrementalmeßsystem dadurch Absolutmessungen ermöglicht, daß in eigenen Spuren Referenzmarken vorgesehen werden, deren Lage der Inkrementalspur absolut zugeordnet ist und die nach verschiedenen Verfahren identifiziert werden können, so daß jeder Meßpunkt durch den durch Inkrementalmessung erfaßten Abstand der Meßstelle von der letzten identifzierten Referenzmarke absolut bestimmt ist. Für die Identifizierung der Referenzmarken kann man jeder Referenzmarke in einer eigenen Codespur sie identifizierende Codewörter zuordnen, die über eigene Ableseeinrichtungen abgelesen werden und z. B. die Nummer der jeweiligen Referenzmarke angeben, so daß diese Referenzmarke eindeutig identifizierbar wird. Es ist auch bekannt, zur Identifizierung der Referenzmarke in einer gesonderten Spur Tonbandelemente vorzusehen, die magnetisch mit Codemerkmalen versehen und wie ein Tonband abgelesen werden können, um die Referenzmarken zu identifizieren. Hier muß in allen Fällen nach verschiedenen Abtastprinzipien und verschiedenen Auswertungsgesetzen gearbeitet werden, um zu einer brauchbaren Endanzeige zu gelangen, wobei wieder sowohl der Maßstab mit allen Zusatzelementen als auch die Abtast- und Ableseeinheiten sowie die Auswertungsschaltung aufwendig sind. Eine ebenfalls vorgeschlagene Abstandscodierung der Referenzmarken, bei der jede Referenzmarke durch unterschiedliche Abstände von den beiden benachbarten Referenzmarken gekennzeichnet und damit absolut festgelegt ist, erfordert nicht nur eine aufwendige Auswertungseinrichtung, sondern hat auch den prinzipiellen Nachteil, daß wegen der wechselnden Abstände der Referenzmarken keine gleichmäßige Maßstabunterlteilung durch die Absolutmarken erzielbar ist.

Eine Variante der zuletzt beschriebenen Auswahleinrichtungen für die Referenzmarken ist in der EP-A 0426 882 geoffenbart. Bei dieser Ausführungsform sind mehrere identische Referenzmarken vorgesehen, die über eine Abtasteinrichtung mit Abtastmaske abgetastet werden können, so daß bei genauer Ausrichtung der Maske auf eine Referenzmarke eine Signalspitze auftritt. Zusätzlich ist eine eigene Auswahlspur mit Abtasteinrichtung vorgesehen, welche Auswahlspur durch lichtundurchlässige Streifen abgedeckt ist, so daß nur in den Zwischenräumen dieser Streifen Lichtdurchlässigkeit gegeben ist. Wenn die Abtasteinheit über einer Referenzmarke steht, wird aus der Auswahlspur, je nachdem, ob eine Abdeckung vorhanden ist oder nicht, ein Signal erzeugt. Durch Verknüpfung der beiden Signale in einer Umschaltung wird erreicht, daß nur dann ein Referenzsignal abgegeben wird, wenn dies über die Auswahlspur bestimmt ist.

Der grundsätzliche Nachteil aller reinen inkrementalen Meßsysteme gegenüber den Absolutmeßsystemen besteht darin, daß von dem unwahrscheinlichen Zufall abgesehen, daß das Meßsystem momentan exakt auf eine Referenzmarke ausgerichtet ist, mit der Abtasteinheit wenigstens eine, in den meisten Fällen aber sogar zwei Referenzmarken überfahren werden müssen, ehe die Absolutlage der Abtasteinheit zum Maßstab genau definiert ist. Dies bedeutet bei vielen Steuerungen nicht nur einen zusätzlichen Aufwand, sondern macht bei der Verwendung der Meßsysteme an Werkzeugmaschinen, Robotern usw. auch Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, um Arbeitswerkzeuge während dieser zur Bestimmung der Ausgangsposition notwendigen Verstellung außer Eingriff mit den Werkstücken zu bringen oder ein Anschlägen von Roboterarmen während dieser Verstellung auszuschließen. Im Gegensatz dazu ist bei Absolutmeßsystemen die Lage bei stillstehendem Meßsystem sofort definiert. 2

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Längen- oder Winkelmeßsystems der einangs genannten Art, das mit einer einfachen Ausbildung des Maßstabes, einfachen Abtasteinheiten und einer einfachen Auswertungsschaltung das Auslangen findet und trotzdem eine für die meisten Anwendungsfälle brauchbare und hinreichend genaue Absolutmessung oder Quasiabsolutmessung ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die codierten Meßteilungselemente aus in serieller Codierung angebrachten, unterschiedlichen Codewörtern bestehen, die in Meßrichtung abstandsweise aufeinanderfolgen und die Ableseeinrichtung ein wenigstens über die Länge zweier Codegruppen reichender, mehrzeiliger Detektor, insbesondere ein CCD-Chip (mehrzeilige Abtastmatrix), oder ein Diodenzeilenar-rays ist und daß die in jeder möglichen Stellung der Abtasteinheit wenigstens ein Codewort vollständig erfassende Auswertungseinrichtung durch Erfassung der Relativlage des Anfanges dieses Codewortes zum Detektor und Ablesung des Codewortes die Momentanposition grobstufig und durch Erfassung der Abtastsignale der inkrementalen Meßteilungselemente gegebenenfalls unter elektronischer Unterteilung durch Interpolation feinstufig bestimmt.

Bei der seriellen Codierung bestehen die einzelnen Elemente der Codewörter aus Strichen bzw. Lücken, deren Breite ein ganzzahliges Vielfaches des Codierungsbits ist. Derartige Codierungen sind dem Prinzip nach unter anderem für die Warenkennzeichnung, die Preisauszeichnung usw. ebenso bekannt wie zugeordnete mehrzeilige Detektoren, mit deren Hilfe man beim Überfahren eines Codewortes das Codewort bzw. dem Codewort entsprechende Digitalsignale ablesen kann. Eine wesentliche Überlegung der Erfindung besteht darin, daß man dazu eine ganz exakte, im wesentlichen innerhalb des Gesamtauflösungsvermögens des Meßsystems punktgenaue, also der kleinsten meßbaren Einheit entsprechende Erfassung einer bestimmten Maßstabstelle erzielen kann, wenn man grob die momentan abgetastete Stelle durch die Erfassungslage des Codewortes über den Detektor und fein durch die bestimmte Phasenlage der aus der Abtastung der Inkrementalteilungselemente erhaltenen Analogsignale definiert, wobei durch die Phasenlage der momentane Meßpunkt genau definiert und die Absolutlage dieses Meßpunktes durch das ausgelesene Codewort bestimmt ist. Die Gesamtspurbreite der Meßteilung kann, abhängig von der Art des verwendeten Detektors gleich oder kleiner als eine normale Inkrementalspur sein, wobei die Codierung, da sie nur aus Strichen und Lücken verschiedener Breite besteht, verhältnismäßig einfach angebracht werden kann.

Die Auswertung und Messung wird dadurch vereinfacht, daß nach einer Weiterbildung jedes Codewort aus einer die jeweilige Maßstabstelle kennzeichnenden seriellen Codierung und einem vorgeordneten für alle Wörter gleichen Startzeichen besteht, wobei die Auswertungseinrichtung die Relativlage dieses Startzeichens zum Detektor erfaßt, das Codewort erkennt und zusätzlich die Phasenlage der analogen Abtastsignale der Inkrementalteilung bestimmt. Es ist aber auch möglich, in einem Zusatzspeicher für jedes Codewort und dessen Startzeichen verschiedene Phasenlagen der Analogsignale vorzugeben, bei denen mit der Interpolation aus der Abtastung der Inkrementalteilung begonnen wird. In solchen Speichern können auch Korrekturwerte zum Ausgleich von Teilungsfehlern bei der Anbringung der Codewörter bzw. von deren Startzeichen vorgespeichert und beim Auftreten des jeweiligen Codewortes an der Ablesung abgerufen werden.

Herstellungstechnisch wird eine besonders einfache Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die Zeilenbreite des Detektors, die Codierungsbits der Codewörter und die Intervalle der inkrementalen Meßteilungselemente gleich groß oder ganzzahlige Vielfache der jeweils kleinsten dieser Einheiten, z. B. der Zeilenbreite, sind.

Bei der konstruktiven Verwirklichung des erfindungsgemäßen Meßsystems lassen sich verschiedene Wege beschreiten. Wenn ein geeigneter Detektor, z. B. CCD-Chip kostengünstig zur Verfügung steht, ist eine Ausführung möglich, bei der jedem Codewort am Maßstab in der gleichen Spur wenigstens zwei mit dem eine entsprechende Länge aufweisenden Detektor gemeinsam mit dem Codewort und dessen Startzeichen bzw. vor oder nach diesen, z. B. seriell, erfaßbare Felder mit zur Erzeugung gegeneinander phasenverschobener Abtastsignale am Detektor um Teilungsbruchteile versetzten Inkrementalteilungen angeordnet sind. Hier kann die gesamte Meßteilung in einer einzigen, entsprechend schmalen Spur angebracht werden.

Nach einer anderen Variante ist in einer Parallelspur zu den Codewörtern eine durchgehende Inkrementalteilung vorgesehen und für sie sind, wie an sich bekannt, zur Erzeugung gegeneinander phasenverschobener Abtastsignale gesonderte Abtasteinheiten mit gegeneinander um Teilungsbruchteile versetzten Abtastgittern vorgesehen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung. ln der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 in schematisierter Darstellungsweise im Blockschema eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen als Längenmeßsystem ausgebildeten Meßsystems, 3

Claims (5)

1. AT 397 873 B Fig. 2 in der Fig. 1 entsprechenden Darstellungsweise eine zweite Ausführungsform eines Längenmeßsystems und Fig. 3 ein Diagramm mit den bei der Abtastung erhaltenen Meßsignalen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein transparenter Maßstabkörper 1 vorhanden, der eine Meßteilung aufweist, die jeweils aus einem in serieller Codierung angebrachten, eine bestimmte Maßstabstelle kennzeichnenden Codewort 2, einem Startzeichen 3 und in der gleichen Spur zwei Inkrementalteilungsfeldern 4, 5 besteht, bei denen die Teilungen um ein beliebiges ganzzahliges Vielfaches des Teilungsschrittes und um einen Bruchteil dieses Teilungsschrittes gegeneinander versetzt sind. Am Maßstab 1 folgen entsprechende aus den Feldern 2 bis 5 gebildete Gruppen vorzugsweise in gleichbleibender Grundteilung aufeinander, wobei sich diese Gruppen nur durch die sich ändernde, die jeweilige Maßtabstelle kennzeichnende Codierung des Codewortes 2 unterscheiden. Für die Abtastung des Maßstabes dient eine relativ zu ihm in Längsrichtung verstellbare Abtasteinheit, die nach Fig. 1 aus einer Beleuchtungseinrichtung 6, einem CCD-Chip 7 und einer Auswertungseinheit 8 gebildet ist. Die Beleuchtungseinheit 6 kann wie dargestellt aus einer Lampe und einer Collimatorlinse bestehen, aber auch von einer oder mehreren Leuchtdioden oder sonstigen, für die Beleuchtung der jeweiligen Maßstabstelle insbesondere mit Parallellicht geeigneten Lichtquelle gebildet werden. Je nach Art des verwendeten Detektors kann die Beleuchtungseinrichtung z. B. bei Verwendung eines CCD als Detektor im Pulsbetrieb oder bei Verwendung eines Diodenzeiienarrays mit Konstantlicht arbeiten. Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit besteht darin, die Teilungselemente des Maßstabes über ein Objektiv auf dem Detektor 7 abzubilden. Ein hier den Detektor bildender CCD-Chip 7 besitzt eine wenigstens über die Gesamtlänge von zwei aus dem Elementen 3 bis 5 gebildeten Gruppen reichende Länge, wurde also der Einfachheit halber verkürzt dargestellt. Diese Länge ist notwendig, damit wenigstens jeweils eine Gruppe bei der Relativverstellung seriell erfaßt werden kann. Die Pixelbreite am CCD-Chip 7 entspricht der Breite der Codierungsbits beim Codewort 2 und der Breite der Intervalle der inkrementalen Meßteilungen 4, 5. In den einzelnen Pixel-(Matrix)-Elementen treten unterschiedliche Signale auf, je nachdem in welchem Abtastbereich sich der Chip 6 gegenüber dem Maßstab 1 befindet. Es werden unterschiedliche Signale vom Startzeichen 3, vom Codewort 2 und während der Bewegung sinusförmige Analogsignale aus der Abtastung der Inkrementalfelder 4, 5 erhalten. In Fig. 3 sind mit der Kurve 9 die im Stillstand im Chip austretenden Signale 3a aus den Startzeichen 3 und in 2a die aus der Abtastung des Codewortes erhaltenen Signale dargestellt. Die Kurve 10 zeigt die durch Abtastung der Inkrementalteilung 4, 5 erhaltenen sinusförmigen Analogsignaie 4a, 5a. Dadurch, daß beim Auslesen des Detektors 7 die Lage des Startzeichens 3 z. B. durch Zählen der Impulse bis zum Auftreten der das Startzeichen eindeutig kennzeichnenden Bitkombination (z. B. 10 x 1) bestimmt wird und anschließend das Codewort 2 ausgelesen wird, kann die Lage des Detektors 7 zum Maßstab 1 grobstufig erkannt werden. Die darauffolgende Bestimmung der Phasenlage der Inkrementalspursignale 4a, 5a ergibt die feinstufige Bestimmung der Lage des Detektors 7 innerhalb einer Pixelbreite. Bei einem CCD-Chip mit 13 um Pixelbreite und einer entsprechenden Breite der Codierungsbits ist die Relativlage der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab durch das Codewort 2 auf z. B. 1,7 mm genau definierbar. Bereits im CCD-Chip 7 wird das Startzeichen auf 13 um genau bestimmt und durch eine an sich bekannte 25fache Unterteilung des Signales aus der Abtastung der Inkrementalteilungen 4, 5 erhält man eine Auflösung von 0. 52 um. Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 dadurch, daß am Maßstabkörper 1 in einer Spur nur die Codewörter 2 und die zugeordneten Startzeichen 3 angebracht sind und in einer Parallelspur eine durchgehende Inkrementalteilung 11 vorgesehen ist. Der CCD-Chip 7 erfaßt nur Startzeichen 3 und Codewort 2. Zusätzlich sind am CCD-Chip Abtastgitter 12,13, die gegeneinander wieder um Teilungsbruchteile versetzt sind, angebracht und den beiden Gittern sind Abtastelemente 14, 15 zur Erzeugung der analogen Abtastsignale 4a, 5a zugeordnet, die der Auswertungseinheit 8 zugeführt werden. Patentansprüche 1. Längen- oder Winkelmeßsystem mit einem Maßstab und einer in Meßrichtung relativ zum Maßstab verstellbaren Abtasteinheit, wobei der Maßstab eine Meßteilung aus absolut codierten Meßteilungselementen und aus Inkrementalteilungselementen aufweist, die Abtasteinheit Ableseeinrichtungen für die Ablesung der Teilungselemente nach optoelektronischen Abtastprinzipien aufweist und eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die aus den Signalen dieser Ableseeinrichtungen die Momentanstellung der Abtasteinheit zum Maßstab absolut bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die codierten Meßteilungselemente aus in serieller Codierung angebrachten,unterschiedlichen Codewörtern (2, 3) bestehen, die in Meßrichtung abstandsweise aufeinanderfolgen und die Ableseeinrichtung ein wenig- 4 AT 397 873 B stens über die Länge zweier Codegruppen reichender, mehrzeiliger Detektor, insbesondere ein CCD-Chip (mehrzeilige Abtastmatrix 7), oder ein Diodenzeilenarrays ist und daß die in jeder möglichen Stellung der Abtasteinheit wenigstens ein Codewort vollständig erfassende Auswertungseinrichtung (8) durch Erfassung der Relativiage des Anfanges dieses Codewortes zum Detektor und Ablesung des Codewortes die Momentanposition grobstufig und durch Erfassung der Abtastsignale der inkrementalen Meßteilungselemente (4, 5, 11) gegebenenfalls unter elektronischer Unterteilung durch Interpolation feinstufig bestimmt.
2. 2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Codewort (2, 3) aus einer die jeweilige Maßstabstelle kennzeichnenden seriellen Codierung (2) und einem vorgeordneten für alle Wörter gleichen Startzeichen (3) besteht, wobei die Auswertungseinrichtung (8) die Relativlage dieses Startzeichens zum Detektor (7) erfaßt.
3. 3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenbreite des Detektors (7), die Codierungsbits der Codewörter (2) und die Intervalle der inkrementalen Meßteilungselemente (4, 5,11) gleich groß sind.
4. 4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Codewort (2, 3) am Maßstab in der gleichen Spur wenigstens zwei mit dem eine entsprechende Länge aufweisenden Detektor (7) gemeinsam mit dem Codewort (2) und dessen Startzeichen (3) bzw. vor oder nach diesen erfaßbare Felder (4, 5) mit zur Erzeugung gegeneinander phasenverschobener Abtastsignale (4a, 5a) am Detektor um Teilungsbruchteile versetzten Inkrementalteilungen angeordnet sind.
5. 5. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Parailelspur zu den Codewörtern (2, 3) eine durchgehende Inkrementalteiiung (11) vorgesehen und für sie, wie an sich bekannt, zur Erzeugung gegeneinander phasenverschobener Abtastsignale (4a, 5a) gesonderte Abtasteinheiten (14,15) mit gegeneinander um Teilungsbruchteile versetzten Abtastgittern (12,13) vorgesehen sind. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5