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Die Erfindung betrifft ein Längen- oder Winkelmesssystem mit einem Massstab, der eine Messteilung mit einer Spur aus absolut codierten Messteilungselementen und eine Parallelspur aus Inkremtalteilungselementen aufweist, wobei eine in Messrichtung relativ zum Massstab verstellbare Abtasteinheit Ableseeinrichtungen für die Ablesung beider Spuren besitzt und eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die aus den
Signalen dieser Ableseeinrichtungen die Momentanstellung der Abtasteinheit zum Massstab absolut be- stimmt, wobei die absolut codierte Spur eine Messteilung in Form einer seriellen Strichcodierung aufweist, die vielstellige, den Absolutpositionen zugeordnete Codewörter bestimmt, die zugeordnete Ableseeinrichtung als Zeilendetektor mit wenigstens einer der Stellenanzahl der einzelnen Codewörter entsprechender
Zellenanzahl,
insbesondere als CCD-Chip (mehrzeilige Abtastmatrix), oder als Dioden-Zeilenarray mit der
Strichcodierung angepasster Pixelbreite ausgebildet ist, die zweite Ableseeinrichtung für die Erzeugung periodischer, Insbesondere in ihrer Grundform sinusförmiger Signale mit der Teilung der Inkrementalspur entsprechender Signalzuglänge bei der Abtastung der Inkrementalspur ausgebildet ist, welche die Auswertungseinrichtung zur Interpolation zwischen den mit gröberer Auflösung aus der Abtastung der absolut codierten Spur erzielbaren Messwerten verwendet.
Ein derartiges Länge- oder Winkelmesssystem ist dem Prinzip nach Gegenstand der nicht vorveröffentlichten AT-PS 397 873 der gleichen Anmelderin. Der Grundgedanke besteht dann. dass man eine exakte, Im wesentlichen innerhalb des Gesamtauflösungsvermögens des Messsystemes punktgenaue, also der kleinsten messbaren Einheit entsprechende Erfassung einer bestimmten Massstabstelle erzielen kann, wenn man die momentan abgetastete Stelle mit gröberem Auflösungsvermögen durch das Codewort bzw. dessen Erfassungslage am Detektor bestimmt und, ähnlich wie auch bel anderen bekannten Absolutmesssystemen mit absolut codiertem Massstab und Inkrementalspur, eine Feinauflösung durch Auswertung der Signale aus der Abtastung der Inkrementalspur vornimmt.
Es ist dabei auch möglich, die Gesamtspurbreite der absolut codierten Messteilung eben wegen der Verwendung einer seriellen Strichcodierung, aber abhängig von der Art des verwendeten Detektors, gleich oder kleiner als die Breite der normalen Inkrementalspur zu halten, so dass kaum ein Verkantungsfehler auftreten kann. Die Herstellung der Absolutteilung ist relativ einfach, da jedes Codewort nur durch verschiedene Kombinationen gleich breiter Stnche und Lücken definiert werden kann. Es ergibt sich, wie erwähnt, ein wesentlich besseres Auflösungsvermögen als bei Verwendung einfacher Absolutmassstäbe mit serieller Strichcodierung, wie sie z. B. aus der GB-2 126 444 bekannt sind.
Gegenüber Absolutmesssystemen mit in vielen Parallelspuren vorgesehen, z. B. nach dem Gray-Code codierten Codierungsmerkmalen, bei denen für jede Einzelspur eine eigene Abtasteinheit erforderlich ist. wird wegen der geringen Spurbreite die Ablesegenauigkeit und insgesamt der Aufwand verringert. Dort ist es allerdings ebenfalls bekannt, eine parai ! e ! e tnkrementaispur vorzusehen und so eine Erhöhung des Auflösungsvermögens, z. B. auch unter Verwendung von Interpolationsrechnern und Vervielfältlgungsschal- tungen zu erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Längen- oder Winkelmesssystem der gegenständlichen Art die Ablesegenauigkeit und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Erzeugung optimal auswertbarer Signale eine Abtastung der beiden Spuren über die zugeordneten Ableseeinheiten nach unterschiedlichen Abtastpnnzi- plen und/oder unter Einhaltung unterschiedlicher Abtastabstände oder-wege vorgesehen ist.
Die erfindungsgemässe Ausführung ermöglicht es, beide Spuren unter für die jeweilige Spur optimalen Bedingungen abzutasten, wobei es auch möglich ist, für die beiden Spuren verschiedene Abtastprinzipien (z. B. opto-elektronische oder induktive oder kapazitive Abtastpnnzlpien) einzusetzen.
Die Codierung selbst und dementsprechend die zugehörige Ableseeinheit können nach verschiedenen Kritenen arbeiten. Nach einer Möglichkeit weist die absolut codierte Spur eine serielle Strichcodierung aus ineinander verschachtelten Codewörtern auf. Dabei können Strich und Lücke der Grundteilung die Werte "0" (low) und"1" (high) am zugeordneten Pixel des Zeilendetektors erzeugen. Ein verschachtelter, sequentieller Code erzeugt auf dem Zeilendetektor z. B. in jeder Zeile einen der genannten Werte, so dass jede Stelle des Massstabes durch ein Codewort mit der Anzahl der Zeilen des Zeilendetektors bestimmten Stellen definiert ist.
Bel einer Codewortlänge und damit Zeilenzahl n = 4 wäre als einfaches Beispiel ein sequentieller Code folgender Form möglich : 000 1 101 1 1 100 1 010 was bedeutet, dass mit einer vierzeiligen Ableseeinrichtung bei dieser Art der Codierung 16 verschiedene Kombinationen aus 1 und 0 nacheinander abgelesen werden können bzw. mathematisch ausgedrückt aus den beiden Zeichen für "0" und-1" 20 verschiedene aufeinanderfolgende Codewörter der Wortlänge "n" gebildet werden können. Wenn man eine Pixelbreite im Bereich von einigen u annimmt, findet man für normal lange Massstäbe bei dieser Art der Codierung normalerweise mit einem Zeilenarray mit n = 16 und den damit möglichen 216 unterscheidbaren Codeworten das Auslangen.
Bei dieser Art der Codierung ist jede erfasste sich von der benachbarten Massstabstelle um eine Pixel- bzw. Strichbreite unterscheidende
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Massstabstelle durch ein ganz bestimmtes Codewort definiert.
Eine andere Art der Absolutcodierung besteht darin, eine serielle Strichcodierung in Form aufeinanderfolgender Einzel-Codewörter vorzusehen. Hier ist darauf zu achten, dass die Ableseeinheit eine ausreichend grosse Zeilenanzahl besitzt, damit immer ein Codewort vollständig erfasst werden kann. Dieses vollständig erfasste Codewort und seine Relativlage auf den entsprechenden Zeilen der Abtasteinheit geben die über das Absolutmesssystem erfassbare Position der Abtasteinheit an. Hier findet man mit weniger Codewörtern das Auslangen, muss aber meist eine eine grössere Zeilenanzahl aufweisende Ableseeinheit verwenden und das Auswertungsprogramm ändern, da auch die Relativlage des erfassten Codewortes zur Abtasteinheit berücksichtigt werden muss.
Schliesslich ist es auch möglich, die Codewörter mit für alle Wörter gleichen Startzeichen zu versehen, wobei dann die Auswertungseinrichtung die Relativlage dieses Startzeichens zum Detektor erfasst, das Codewort erkennt und zusätzliche Kritenen für die Gesamtauswertung des Messergebnisses gewonnen werden können.
In allen genannten Fällen ist es bei entsprechender Pixel-Lückenbreite möglich, aus der Abtastung der codierten Spur eine Auflösung bis in den u-Bereich, z. B. eine Auflösung von 2, 5 Il zu erzielen. Die aus der Abtastung der Inkrementalspur erhaltenen Signalzüge, wobei meist zwei um 90'versetzte Signa ! züge nach bekannten Kritenen erzeugt werden, ermöglichen eine Interpolation zwischen aufeinanderfolgenden Codewörtern unter Mehrfachauswertung der Signale bzw. mit Hilfe eines Interpolationsrechners z. B. eines Arkustangensrechners. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilungselementen bzw. Codewörtern der Absolutteilung kann z.
B. jeweils ein voller Signussignalzug und ein dazu um 90. phasenversetztes Signal ausgewertet werden, um die Eindeutigkeit bei der Interpolation zu gewährleisten.
Es ist nicht unbedingt notwendig, die beiden Teilungsspuren nach gleichen Abtastknterien abzutasten.
Prinzipiell sind sowohl Abtastungen nach optoelektronischen Abtastknterien, als auch nach induktiven oder kapazitiven Abtastkriterien möglich, wobei die belden Spuren auch nach verschiedenen Abtastkritenen abgetastet werden können. Dabei wird in Weiterbildung der Erfindung noch darauf geachtet, dass auch für die Abtastung der Einzeispuren möglichst die jeweils optimalen Abtastbedingungen für die jeweiligen Abtastknterien eingehalten werden können Die analog auch für andere Abtastkriterien geltenden Bedingungen werden am Beispiel der opto-elektronischen Abtastung erläutert.
Bei Inkrementalmassstäben ist es beispielsweise möglich, die Abtasteinheiten nicht nur In einem einzigen bestimmten Abstand zum Massstab anzuordnen, sondern es sind mehrere Abstände möglich, wobei die günstigen Abstände durch die Formel d = ng2/\ definiert sind, wobei g die Gitterkonstante, n eine beliebige natürliche Zahl und X die Schwerpunktwellenlänge bedeuten. Die Schwerpunktwellenlänge kann durch Verwendung monochromatischer Lichtquellen noch genauer definiert werden. Bel grösseren Abständen kann sich die Kurvenform des Abtastsignales günstig der Smusform annähern und es können auch grössere Toleranzen eingehalten werden, so dass an die Führungen der Abtasteinheit gegenüber dem Massstab niedrigere Anforderungen gestellt werden können.
Demgegenüber erscheint es zumindest nach den bisherigen Erfahrungen vorteilhaft, den Abstand der Absolutspur von der zugehöngen Abtasteinheit, also dem Zeilenarray möglichst klein zu halten. Dem trägt die Erfindung dadurch Rechnung, dass für die Abtastung der belden Spuren unterschiedliche Abtastabstände oder-wege (bei lichtelektrischer Abtastung optische Übertragungswege) eingehalten werden.
Nach einer dieser Möglichkeiten sind die belden Ableseeinheiten In unterschiedliche Abtastabstände bestimmenden Parallelebenen am entsprechend abgestuften oder aus zwei zugeordneten Einzelelementen gebildeten Massstabkörper angebracht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die beiden Abieseeinheiten auf einer gemeinsamen Abtasteinheit In Richtung des Abtastabstandes vom Massstab gegeneinander abgestuft versetzt angeordnet sind Beide der genannten Möglichkeiten können auch in Kombination und gegebenefalls unter zusätzlicher Zwischenschaltung optischer Leiteinrichtungen z. B. gemeinsamer oder gesonderter Optiken zwischen Ableseeinheit und Abtastspur Verwendung finden.
Schliesslich kann man je nach den Gegebenheiten bel der lichtelektrischen Abtastung gleiche oder unterschiedliche Beleuchtungemrichtungen für die beiden Abtastspuren vorsehen, wobei für die Erzielung exakter Abtastungen nicht nur normale Lichtquellen mit Kondensoroptik, sondern auch Laserdioden u. dgl. eingesetzt werden können.
Auch die Verwendung von polansiertem Licht ist für besondere Fälle sinnvoll.
Eine bevorzugte Konstruktion besteht darin, dass zur optoelektronischen Abtastung durch die Ableseeinheit für die die Absolutteilung aufweisende Massstabspur ein Zellendetektor vorgesehen ist und die Ableseeinheit zur Ablesung der Inkrementalteilung, wie an sich bekannt, eine Abtastplatte mit gegeneinander um Teilungsbruchteilen versetzten Gitterteilungen und durch den Massstab und diese versetzten Gitterteilungen beleuchtete Photoempfänger aufweist und dass die Abtastplatte auf der Abtasteinheit gegen- über dem Zellendetektor mit unterschiedlichem Abstand vom Massstab angebracht ist. Bei anderen Konstruktionen kann man auch für die Abtastung der Inkrementaltellung Zellendetektoren verwenden.
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In allen diesen Fällen können wenigstens zwischen der einen Ableseeinheit und der zugeordneten
Messteilungsspur des Massstabes optische Leit- oder Projektionseinrichtungen, z. B. eine Sammeloptik, angeordnet sein.
Um störende Reflexionen zu vermeiden kann man dann, wenn als Zeilendetektoren für die optoelektro- nische Abtastung CCD-Chips oder Photodiodenarrays vorgesehen sind. diese gegenüber dem Lichteinfalls- winkel im Brewster-Winkel geneigt anordnen und mit polarisiertem Licht über die Messteilung beleuchten, wobei je nach Ausbildung des Massstabes eine Beleuchtung im Reflexions- oder Durchlichtverfahren denkbar ist.
Zumindest theoretisch kann es vorkommen, dass die Ableseeinheit für die Codespur genau in der Mitte zwischen zwei Codewörtern (theoretisch also bei ineinander verschachtelten Codewörtern genau in der
Mitte der Einzelteilungen) abzulesen ist, wodurch falsche Ablesungen vorkommen könnten. Um dies zu vermeiden, ist in Weiterbildung der Erfindung eine zweite absolut ! dent mit der ersten Spur codierte Absolut-Messteilungsspur mit zugeordneter, eigener Ableseeinrichtung vorgesehen und gegenüber der ersten Spur um eine halbe Pixelbreite versetzt angebracht, wobei eine vom Abtastsignal der Inkrementaltei- lung gesteuerte Entscheidungslogik in Zwischenstellungen der Ableseeinheiten bestimmt, nach welcher Ableseeinheit und damit Spur im Momentanfall der Messwert ermittelt wird.
Die Entscheidungslogik kann in einen vorzugsweise beim Messsystem verwendeten Rechner integriert sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung Ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen
Flg. 1 das Prinzipschema eines erfindungsgemässen Längenmesssystems im Schaubild,
Fig. 2 ein entsprechendes Prinzipschema nach einer Ausführungsvariante und
Fig. 3 ebenfalls ein Prinzipschema einer dritten Ausführungsvariante.
In den Fig. 1 bis 3 der Zeichnung wurden jeweils gleiche bzw. analoge Teile mit gleichen, Im Bedarfsfall durch Zusätze ergänzten Bezugszeichen bezeichnet. Es ist jeweils ein Massstab mit einem Massstabkörper 1, 1', eine Abtasteinheit 2,2', 2" mit Ableseeinrichtungen 3, 4 bzw. 4,5, 6 für zwei Messteilungsspuren 7,8 am Massstabkörper 1, l'und eine Auswertungseinheit 9 mit Anzeigeeinheit 10 vorhanden, die aus den Signalen der Ableseeinheiten 3, 4 bzw. 4, 5, 6 die momentane Absolutpositionen der Abtasteinheiten 2, 2', 2" gegenüber dem Massstab 1, 1' bestimmt und auf der Anzeigeeinheit 10 anzeigt bzw. entsprechende Signale an eine Maschinen- oder Robotersteuerung weitergibt, von der das dargestellte Längenmesssystem Bestandteil ist.
Erwähnt sei, dass eine Winkelmesseinrichtung bzw. ein Drehgeber entsprechend dem Längenmesssystem nach den Fig. 1 bis 3 aufgebaut sein kann, wobei der Massstab 1 eine Scheibe oder ein Zylinder- oder Kegelmantel ist, auf dem die Messteilungsspuren 7,8 angebracht sind.
Für die beiden Messteilungsspuren 7,8 sind beim Ausführungsbeispiel gesonderte Beleuchtungseinrichtungen 11, 12, z. B. Laserdioden oder andere Lampen mit nachgeordneten, das austretende Licht nchtenden Kondensoreinrichtungen 13,14 bzw. Projektionseinrichtungen vorgesehen, wobei für die beiden Spuren 7,8 auch eine gemeinsame Lichtquelle oder unterschiedliche Lichtquellen mit Im Bedarfsfall nachgeschalteten Filtern, z. B. Polafiltern, vorgesehen werden können.
Die Messteilungen 7,8 sind an der zur Abtastemheit 2, 2', 2"weisenden Seite des Massstabkörpers 1, l' angebracht. Dabei ist die Messteilung 7 eine Absoiutteilung mit gegebenenfalls ineinander verschachtelten Codewörtern und die Messteilung 8 eine Inkrementalteilung. Die Teilungskonstante ist für belde Teilungen gleich und wird bei Verwendung von Zeilendetektoren 3,4 als Ableseeinrichtungen an die Pixelbreite dieser Zeilendetektoren 3, 4, die als CCD-Chips oder Diodenzeilenarrays ausgeführt sein können, angepasst, wobei diese Anpassung selbstverständlich auch dann einzuhalten ist, wenn zwischen wenigstens eine der Massstabspuren 7 bzw. 8 und die zugeordnete Ableseeinheit 3 bzw. 4 eine Optik eingeschaltet wird.
Selbstverständlich wurden die Massstabspuren und auch die Elemente der Ableseeinheiten in den Fig. der Zeichnung vielfach vergrössert veranschaulicht. Bei der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 sind beide Ableseeinheiten 3,4 als Zeilendetektoren ausgebildet, wobei die Ableseeinheit 3 die Inkrementalteilung 8 abtastet und für die Erzeugung sinusförmiger Abtastsignale bestimmt ist. wogegen die Ableseeinheit 4 die codierte Teilungsspur 7 abtastet und dadurch das jeweils anstehende Codewort erfasst. Aus diesen Codewörtern und den penodischen (sinusförmigen) Signalen der Ableseeinheit 3 wird in der Auswertungseinheit 9 die Momentanposition bestimmt und auf der Anzeigeeinheit 10 angezeigt.
Nach Fig. 1 besitzt der Massstabkörper 1 an seiner zur Abtasteinheit 2 weisenden Seite eine Abstufung 15, so dass die beiden Spuren 7 und 8 verschiedene Abstände von den Ableseemhelten 3,4 erhalten. Man könnte auch zwei je mit der Abtastspur 7 bzw. 8 versehene und gegebenenfalls verschieden dicke Massstabkörper unter Bildung der Abstufung 15 aufeinander setzen.
Nach Flg. 2 ist die Rückseite des Massstabkörpers l'eben ausgebildet und dafür trägt die Abtasteinheit 2'die Ableseeinheiten 3,4 unter Bildung einer Abstufung 16 mit verschiedenen Abständen vom Massstab-
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körper 1'.
Nach Fig. 3 ist die Ableseeinheit 2, 2'ähnlich der Ableseeinheit 2'abgestuft. Für die Abtastung der Inkrementalspur 8 dient aber eine Abtastplatte 5 mit gegeneinander eine um Teilungsbruchteile der Inkrementalteilung versetzte Gitterteilung aufweisenden Abtastgitter 17, denen auf einem Träger 6 Photoempfänger 18 zugeordnet sind, die vier jeweils um 90. gegeneinander phasenverschobene Abtastsignale erzeugen, aus denen in der Auswertungseinheit durch paarweise Gegenschaltung der um 180. versetzten Signale zwei um 90. versetzte Sinussignale erzeugt und für die Interpolation der nur eine gröbere Auflösung ergebenden Signale aus der Abtastung der codierten Spur 7 verwendet werden. Nähere Einzelheiten der möglichen Verfahren wurden im einleitenden Teil der Beschreibung erwähnt.
Es wäre auch möglich, zusätzlich eine oder mehrere weitere, abtastbare Spuren am Massstab, z. B. in Längsrichtung über bestimmte Bereiche durchlaufende Hell- oder Dunkelfelder vorzusehen, die über eigene Detektoren erfasst werden und bestimmten Längenbereichen zugeordnet sind, so dass innerhalb der durch diese Spuren unterscheidbaren Längenbereiche Codewiederholungen möglich werden.