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Die Erfindung betnfft ein Messsystem mit einem Massstab, der eine inkrementale Messteilung, eine Referenzspur zur Erzeugung von Referenzsignalen an der Messteilung des Hauptmassstabes zugeordneten Stellen, und eine Hilfsspur zur codierten Kennzeichnung der Absolutlage der Erzeugungsstellen der Referenzsignale aufweist, wobei Abtasteinheiten für die Messteilung, die Referenz- und die Hilfsspur mit einer Auswertungsschaltung verbunden sind, welche aus den Signalen der Abtasteinheiten die Absolutlage der Erzeugungsstellen der Referenzsignale am Massstab bestimmt.
Derartige Messsysteme können Längen- oder Winkelmesssysteme bilden, und sowohl für die reine Messung ausgebildet als auch als Bestandteile von Steuereinrichtungen, z. B. von Werkzeugmaschinen, Robotern u. dgl., ausgebildet sein, um dort Positionieraufgaben zu ermöglichen. In der Folge wird die Erfindung Im Zusammenhang mit einem Messsystem mit optoelektronischer Abtastung der Messteilung beschrieben, doch ist die Erfindung in gleicher Weise bei Messsystemen anwendbar, die z. b. mit kapazitiver oder induktiver Abtastung eines entsprechend ausgebildeten Massstabes arbeiten. Wenn nicht von vornherein, wie z. B. bei manchen Drehmeldern, nur eine einzige Verstell- und damit Messrichtung vorgegeben ist, werden vorzugsweise aus der Abtastung der Messteilung z.
B. über gegeneinander um Teilungsbruchteile versetzte Abtastgitter wenigstens zwei gegeneinander z. B. um 90'phasenverschobene analoge Messsignale erzeugt, bei denen dadurch, welches Signal dem anderen voreilt, die Verstellrichtung der Abtasteinheit gegenüber dem Massstab definiert ist und damit bei der Messung über Vor-Rückwärtszähleinrichtungen erfasst werden kann.
Da bei inkrementalen Messsystemen an der Hauptmessteilung nur Zählsignale abgeleitet werden können, ist es notwendig, die Absolutlage der Abtasteinheit gegenüber der Messteilung zusätzlich zu definieren, um z. B. den Zählbeginn bei einzelnen Messungen auf bestimmte Bezugspunkte beziehen zu können. Für diese Festlegung von Absolutpunkten dienen praktisch bei allen bekannten Messsystemen charakteristische Referenzmarken. Hier kann man nach einer bekannten Möglichkeit zwar mehrere Referenzmarken anbringen, aber die verschiedenen Messungen nur auf eine bestimmte, auswählbare Referenzmarke beziehen.
Neben mechanischen oder magnetischen Schalteinrichtungen mit dem Massstab zugeordneten, einstellbaren Auslösegliedern kann für die Auswahl einer einzelnen Referenzmarke auch ein in der Hilfsspur erzeugtes Signal Verwendung finden. Es ist dabei möglich, jede einzelne Referenzmarke über aus der Hilfsspur erzeugte unterscheidbare Signale oder Signalfolge zu kennzeichnen und dadurch die Absolutlage jeder Referenzmarke über die Hilfsspur zu definieren.
In weiterer Folge kann man bei aufwendigeren Steuereinrichtungen, insbesondere bei mit einem Rechner ausgestatteten Steuereinrichtungen auch erreichen, dass das Messsystem in beliebigen Bereichen des Massstabes durch Überfahren von Referenzmarken in der Referenzspur unter Zuhilfenahme der Codierung aus der Hilfsspur absolute Messungen ausführt, also nach Betriebsunterbrechungen usw. durch Überfahren von Referenzmarken an beliebiger Stelle und nicht durch Anfahren einer bestimmten Referenzmarke Absolutmessungen ausführen kann. Dabei werden in einem Speicher den Absulutlagen der einzelnen Referenzmarken am Massstab entsprechende Speicherwerte festgehalten, aus denen der Absolutabstand von einem gewählten Messpunkt berechnet und in die Messung einbezogen werden kann.
Zur Kennzeichnung der Referenzmarken ist es bekannt, in der Hilfsspur Codemarken anzubringen, die z. B. in Form eines codierten Strichmusters eine Numerierung der einzelnen Referenzmarken angeben.
Hier ergibt sich eine äusserst aufwendige Abtast- und Auswertungeinheit zur Erfassung dieser Codierung. Aus der EP 321 439 A ist es bekannt, die Hilfsspur als elektrischen Widerstandskörper auszubilden und für sie eine Potentiometerabtastung vorzusehen, so dass sie einen groben AbsolutmaBstab bildet, der es ermöglicht, jede angefahrene Referenzmarke zu erfassen, deren exakte Lage durch Speicherwerte definiert ist. Nachteilig sind hier die verschiedenen notwendigen Auswertungsarten für die Widerstandsmessung und die Abtastung der Messteilung und der Referenzspur.
Bei sich gattungsmässig von Messsystemen der eingangs genannten Art unterscheidenden Messsystemen mit nur einzigen Referenzspur mit Referenzmarken ist es aus der DE 24 16 212 C bekannt, alle Referenzmarken mit voneinander unterschiedlichen Abständen vorzusehen, so dass die Lage jeder einzelnen Referenzmarke durch ihre Abstände von den benachbarten Referenzmarken definiert ist. Die beiden je nach Zählrichtung zur Bestimmung einer Referenzmarke zu erfassenden Abstände sind in einem Speicher des Rechners gespeichert, wobei eine zusätzliche Speicherung mit die Absolutlage der jeweiligen Referenzmarke kennzeichnenden Speicherwerten vorgesehen ist, so dass die Möglichkeit besteht, durch Berechnung aus diesen Speicherwerten die Absolutlage der Abtasteinheit zu bestimmen.
Nachteilig bei dieser Art der Codierung sind die wechselnden Abstände der einzelnen Referenzmarken voneinander, so dass sich z. B., wenn man die Abstände von einem Massstabende ausgehend zunehmend vergrössert, gegen das andere Massstabende zu unerwünscht grosse Abstände der Referenzmarken voneinander ergeben. Dabei hat überdies die Anbringung der Referenzmarken in möglichst genauer Zuordnung zu den Massstabteilstrichen der Messteilung zu erfolgen. Ferner ergeben sich aufwendige Speicher und Steuereinrichtungen zur
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Bestimmung der Absolutlage Jeder einzelnen Referenzmarke.
Es ist deshalb in der DE 36 17 254 C vorgeschlagen worden, für die Bestimmung des Absolutwertes jeder Referenzmarke eine Kombination von wenigstens zwei Abständen zwischen dieser Referenzmarke und wenigstens zwei weiteren Referenzmarken zu ermitteln, wobei die Summen aus diesen je zwei Abständen auch gleich sein können, so dass die zunehmende Dehnung Referenzmarkenteilung gegenüber der Konstruktion nach der DE 24 16 212 C vermieden werden kann.
Nachteilig ist allerdings, dass in jeder Messrichtung wenigstens zwei Abstände für die Bestimmung einer bestimmten Referenzmarke überfahren werden müssen, also die tatsächlich bestimmbare Referenzmarke frühestens die dritte Referenzmarke einer abgefahrenen Referenzmarkenreihe ist und dass für das Festhalten der Abstandswerte und der Absolutwerte der einzelnen Referenzmarken umfangreiche Speichereinrichtungen mit den zugehörigen Adressier- und Abfrageemrichtungen notwendig werden. Aus der US 4 794 251 A ist es auch bekannt, unterschiedliche Abstände aufweisende Referenzmarken in zwei Spuren vorzugeben.
Aus der FR 1 437 498 A ist ein Verfahren zur Bildübertragung bekannt, bei dem das zu übertragende Bild durch Masken hindurch abgetastet wird. Um in parallelen Einzelspuren, nach denen abgetastet wird, unterschiedliche Übertragungsfrequenzen zu erzielen, nimmt die Feldbreite jeder auf die erste Spur folgenden Spur um die Breite eines Einzelfeldes in dieser ersten Spur zu, so dass sich ein Breitenverhältnis der einzelnen Spuren von 1 : 2 : 3 usw. ergibt. Die Flanken der Felder in den auf die erste Spur folgenden Spuren fallen immer genau mit einer Flanke in dieser ersten Spur zusammen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Messsystems der eingangs genannten Art, das mit vergleichsweise einfachen Mitteln die Bestimmung einzelner Referenzstellen und der Absolutlage dieser Referenzstellen sowie die entsprechende Auswertung der den Referenzstellen zugeordneten Absolutwerte bei der Messung bzw. Positionierung ermöglicht.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest die Hilfsspur aus einer groben Inkrementalteilung aus aneinandergereihten Inkrementalpaaren besteht, deren Teilungsperiode sich noniusartig um einen kleinen Bruchteil der Messteilungsperiode des Hauptmassstabes von einem ganzzahligen Vielfachen dieser Messteilung unterscheidet, so dass an der Hilfsspur fortlaufend erzeugbare, z.
B. m ihrer Grundform sinusförmige Abtastsignale nur an periodisch wiederkehrenden Stellen gleiche Phasenlage wie die Messsignale aufweisen, wobei die Auswertungseinrichtung eine Erfassungsschaltung aufweist, die bei Übereinstimmung der Phasenlage Hilfssignale erzeugt und dass die Abstände dieser wiederkehrenden Stellen sich um einen oder eingige Teilungsschritte der Messteilung von untereinander gleich gross ausgebildeten Teilungsabständen der Erzeugungsstellen der Referenzsignale unterscheiden, so dass die Absolutlage jeder Erzeugungsstelle eines Referenzsignales durch ihren durch Abtastung der Messteilung erfassbaren Abstand in der jeweiligen Messrichtung von der vorher erfassten periodisch wiederkehrenden Stelle gleicher Phasenlage der Signale der Hilfsspur und Messteilung definierbar ist.
Es ist möglich, durch Abtastung der Messteilung und der Hilfsspur analoge Messsignale z. B. sinusartige Signale zu erzeugen, wobei normalerweise, wie schon erwähnt, bei der Massstababtastung zwei gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugt werden. Bei der erfindungsgemässen Ausführung besteht nun die Möglichkeit, bestimmte Phasenlagen des aus der Abtastung der groben Inkrementalteilung erhaltenen Signales, z. B. die Nulldurchgänge oder die Maxima und Minima auszuwählen und sie auf entsprechende Phasenlagen wahlweise des eines oder anderen der beiden Messsignale zu beziehen. Daraus ergibt sich in weiterer Folge die Möglichkeit, zumindest stufenweise jene MaBstabstellen zu wählen, an denen die Hilfssignale auftreten und von denen aus die die nächstfolgenden Referenzmarken bestimmenden Abstände gemessen werden.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn man erreichen will, dass z. B. vom Massstabende ausgehend die Abstände für jede folgende Referenzmarke zu-bzw. abnehmen sollen oder wenn die Stelle des geringsten Abstandes in einen bestimmten Bereich des Massstabes verlegen will. Die entsprechende Ausführung ermöglicht es auch, Massstäbe in beliebigen Längen herzustellen und aus entsprechenden MaBstabrohlingen Einzefmassstäbe abzuschneiden.
Die Anzahl der Zählschritte aus der Abtastung des Hauptmassstabes zwischen einem aus der Übereinstimmung der Phasenlage des von der groben Inkrement- alteilung abgeleiteten Signales mit wahlweise dem einen oder anderen analogen Messsignal und dem vom nächstfolgenden Referenzsignal abgeleiteten Signal ergibt einen einfachen Zifferncode der eine"Numme- rierung"der eingehen Referenzpunkte ermögficht. Der Abstand kann beispielsweise mittels eines Hiffszäh- lers, der von den Hilfssignalen gestartet und von den Referenzsignalen gestoppt wird, erfasst werden. Eine entsprechende Zähleinrichtung kann bei aufwendigeren Systemen in den Rechner des Systems integriert sein.
Nach einer möglichen Ausführung sind in der Referenzspur der Messteilung absolut zugeordnete Referenzmarken in konstanten, ein Vielfaches der MeBteilungsperiode betragenden Teilungsabständen vorgesehen.
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Eine hinsichtlich des logischen Aufbaues vorteilhaftere Ausgestaltung besteht, soferne die Phasenlage der Signale beim jeweiligen Messsystem sehr genau erfassbar ist, darin, dass auch die Referenzspur aus einer groben Inkrementalteilung besteht, deren Teilungsperiode sich um einen oder einige Teilungsschritte der Messteilung von der Teilungsperiode der Inkrementalteilung der Hilfsspur unterscheidet. Hier kann man wieder die Referenzstellen selbst dadurch, dass man einen Vergleich auf verschiedene Phasenlage der Einzelsignale aus der groben Inkrementalteilung bzw. der Messteilung (Maxima, Minima oder Nulldurchgang) oder auf das Sinus- bzw.
Cosinusslgnal der Messsignale bezieht, eine Verstellung der Referenzstellen über die Massstablänge und damit im Bedarfsfall eine Anpassung an gewünschte Codierungs- oder Messverhält- nisse erzielen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielweise veranschaulicht. Es zeigen Flg. 1 ein erfindungsgemässes Messsystem im Schema. Fig. 2 in vergrösserter Darstellung und insbesondere bei übertrieben gross gezeichneter Messteilung ein Massstabteilstück und Fig. 3 ein Teilstück eines Massstabes zwischen zwei Referenzmarken bei einer Ausführungsvariante.
Das Messsystem nach den Fig. 1 und 2 besitzt einen Linearmassstab 1, auf dem eine inkrementale Messteilung 2 angebracht ist, die in den Fig. 1 und 2 zur Vereinfachung der Darstellung stark vergrössert veranschaulicht wurde, praktisch aber Teilungsperioden bis in die Grössenordnung von um aufweisen kann. Ober- und unterhalb der Messteilung 2 sind Hilfsspuren 3, 4 angebracht, von denen die eine (3) als Referenzspur und die andere (4) als Hilfsspur dient und die je mit einer groben Inkrementalteilung 5 bzw. 6 ausgestattet sind.
Wie man insbesondere aus Fig. 2 feststellen kann, unterscheiden sich die Messteilungsperioden der beiden Inkrementalteilungen 5 und 6 um einen kleinen Bruchteil von einem ganzzahligen Vielfachen der Teilungsperiode der Messteilung 2, wobei beim Ausführungsbeispiel die obere Inkrementalspur 5 um diesen kleinen Bruchteil kleiner und die untere Inkrementalspur 6 in ihrer Teilungsperiode um diesen kleinen Bruchteil grösser als ein ganzzahliges Vielfaches der Teilungsperiode der Messteilung ist, was in weiterer Folge bedeutet, dass nur an periodisch wiederkehrenden Stellen entlang der Länge der Messteilung die Hell- und Dunkelfelder der oberen und unteren Inkrementalteilung 5 bzw.
6 übereinanderliegen und nur an bezüglich der Länge der Messteilung 2 bei der oberen und unteren Inkrementalteilung versetzten Stellen Flankengleichheit zwischen dem Rand eines Teilungsstriches der Inkrementalspuren 5, 6 und einem Teilungsfeld der Messteilung 2 besteht. Der Abstand dieser Stellen der übereinstimmenden Flanken nimmt von Periode zu Periode um eine vorgegebene Anzahl von Teilungsschritten der Messteilung 2 zu bzw. ab.
Für die Abtastung des Massstabes 1 dient ein Schieber 7, auf dem vorzugsweise mit Abtastgittern ausgestattete Abtasteinheiten 8. 9, 10, 11 angebracht sind. Die Abtastgitter sind entsprechend den zugeordneten Inkrementalteilungen ausgeführt, so dass bei der Verstellung des Schiebers 7 die Beleuchtung von photoelektrischen Elementen der Abtasteinheiten 8 bis 11 sich entsprechend der Abschattung bzw.
Freigabe der Hellfelder des zugeordneten Massstabes durch die Dunkelfelder des Gitters ändert und dementsprechend in den Abtasteinheiten 8 bis 11 in der Grundform sinusförmige Signale auftreten.
Insbesondere die Abtasteinheiten 8,9 können je zwei paarweise in Gegenschaltung verbundene Photoelemente enthalten, wobei in an sich bekannter Weise angestrebt wird, aus der Abtastung der Messteilung durch gegeneinander um Teilungsbruchteile versetzte Abtastgitter zwei gegeneinander um 90. phasenver- schobene analoge Messsignale mit der Teilungsperiode der Messteilung entsprechender Wellenlänge zu erzeugen. Diese Signale werden einer Richtungserkennungsstufe 12 und einer Vorarbeitungsstufe zugeführt, die mit einer Auswertungsstufe 13 verbunden ist. Dabei können bereits in der Stufe 12 aus den analogen Messsignalen digitale Zählsignale erzeugt und je nach der relativen Verstellrichtung des Schiebers 7 gegenüber dem Massstab 1 als digitale Auf-oder Abzählsignale der Auswertungsstufe 13 zugeführt werden.
Auch die an den Abtasteinheiten 10, 11 erzeugten Signale werden der Auswertungsstufe 13 zugeführt. Diese enthält eine Erfassungsschaltung, die jeweils bei Übereinstimmungen der Phasenlage der Signale aus der Abtasteinheit 10 bzw. 11 mit der Phasenlage eines der Messsignale (an 8, 9) oder eines aus den beiden an 8,9 abgetasteten Signalen zusammengefassten Signales Hilfssignale erzeugt.
Wegen der besonderen Art der Teilung der Inkrementalspuren 5 und 6 tritt die Phasengleichheit der aus der Abtastung der Spuren 5,6 erzeugten Signale mit den Messsignalen aus der Spur 2 nur periodisch an bezüglich der Massstablänge versetzten Stellen auf, so dass die Signale aus der Spur 5 als Referenzsignale Verwendung finden können, wogegen die Signale aus der Spur 6 Hilfssignale darstellen, die immer um einige Teilungsschritte der MeBteilung 2 vor oder nach den Referenzsignalen auftreten, wobei, wenn man wie in Fig.
2 am linken Ende Phasengleichheit aller drei Signale annimmt, die nächste Stelle der Phasengleichheit der Signale aus der Spur 5 mit den Signalen aus der Spur 2 um eine bestimmte Anzahl von Teilungsschritten der Spur 2 vor der Stelle der Phasengleichheit aus der Spur 6 mit den Signalen aus der Spur 2 auftritt
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und die nächsten Stellen von Phasengleichheit zwischen den Signalen aus der Spur 5 und der Spur 2 um die doppelte bestimmte Anzahl von Teilungsschritten der Spur 2 vor der Stelle der Phasengleichheit der Signale aus den Spuren 2 und 6 auftritt, so dass jede Stelle, an der ein Referenzsignal aus der Spur 5 auftritt, durch die Anzahl der Teilungsschritte bis zur nächsten Stelle der Phasengleichheit aus den Spuren 2 und 6 eindeutig definiert ist.
Dementsprechend enthält die Signalverarbeitungseinheit 13 sowohl Phasenvergleicherstufen als auch Hilfseinrichtungen zur Bestimmung der Absolutlage des Auftretens jedes Referenzsignales und Speicher, in denen der Absolutlage der Referenzsignale zugeordnete Speicherwerte festgehalten sind. Der Abstand der Erzeugungsstelle eines Hilfssignales aus der Spur 6 zur folgenden Erzeugungsstelle eines Referenzsignales entspricht dem Abstand zwischen zwei Erzeugungsstellen von Referenzsignalen minus der n-fachen Differenz der Periodenlängen zwischen zwei Stellen gleichen Phasenabstandes in der oberen und der unteren Inkrementalteilung. Auch dieser Wert ist festgehalten und dient zur Kennzeichnung der nächstfolgenden Referenzstelle bei der anderen Verstellrichtung des Schiebers 7.
Aus den Speicherwerten kann die Auswertungsstufe 13 durch aufeinanderfolgende Erfassung von zwei Stellen gleicher Phasenlage zwischen den Signalen aus den Teilungen 2 und 5 bzw. 2 und 6 bereits die Absolutlage des Schiebers 7 am Massstab 1 erfassen und eine Anzeige-oder Steuereinrichtung 14 auf diese Absolutlage bzw. einen vorgewählten Nullpunkt bezogen steuern. Für die Erfassung der Stellen gleicher
EMI4.1
Signale aus 8 oder 9 bzw. ein Summensignal aus 8 und 9 beziehen, wodurch die Stellen gleicher Phasenlage über die Massstablänge verstellt werden, die Abstände zwischen den Stellen gleicher Phasenlage innerhalb einer Spur aber konstant bleiben.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 sind in der Referenzspur 3a ausgeprägte, abstandweise angeordnete Referenzmarken 15 vorgesehen, denen entsprechende Abtasteinheiten zugeordnet sind, wobei die Abstandteilung der Referenzmarken 15 wieder um einige Zählschritte von jenen Stellen abweicht, in denen zwischen den Signalen aus den Spuren 2 und 6 gleiche Phasenlage auftritt, so dass jede Referenzmarke 15 durch die sich über die Länge des Massstabes ändernden Abstände von den Stellen gleicher Phasenlage zwischen den Signalen aus den Spuren 2 und 6 definiert ist.