DD139897B1 - Einrichtung zur traegerfrequenten abtastung und interpolation - Google Patents

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DD139897B1 DD20942578A DD20942578A DD139897B1 DD 139897 B1 DD139897 B1 DD 139897B1 DD 20942578 A DD20942578 A DD 20942578A DD 20942578 A DD20942578 A DD 20942578A DD 139897 B1 DD139897 B1 DD 139897B1
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Description

0 94 25 -ι-
Titel: Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation von Weg- und Winkelinformationen für nach dem Duroh- oder Auflichtverfahron arbeitende fotoelektrische Meßsysteme, insbesondere für Meßgeräte und Werkzeugmaschinen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Zur Erhöhung der Auflösung bei fotoelektrischen Weg- und Winkelmoßverfahren und -einrichtungen werden z· B· Interpolatoren angewendet, die auf dem Amplitudenanschnitt der von dem fotoelektrischen Meßkopf der Meßsysteme abgegebenen Primarsignale beruhen. Die Unterteilung der Signalperiode der Primärsignale wird entweder durch Präzisionstrigger odeijhochgenaue Spannungsteiler mit anschließender Überlagerung der entsprechenden Punktionen vorgenommen (DS-AS 1 498 137). Derartige Interpolatoren erfordern mit zunehmendem Interpolationsfaktor einen hohen Abgleichaufwand der elektronischen Bauelemente. Deaweiteren wird lediglich ein Interpolationsfaktor einschließlich digitaler Vervielfachung von etwa 4o - 8o erreicht. Mit steigendem Interpolationsfaktor vergrößert sich der schaltungstechnische Aufwand für den Interpolator, und die Anforderungen an die Primärsignale des Meßkopfes bezüglich Signalform, Amplitudenstabilität, Phasenwinkel und Gleichspannungssignal nehmen zu.
Ein phasenzyklisches, trägerfrequentes Interpolations-J0 verfahren und eine Einrichtung zur Meßwertermittlung bei fotoelektrischen Weg- und Winkelmeßsystemen ist in der DD-PS 128 328 beschrieben·
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Hierbei werden die quaai sinusförmigen Signale in einem ersten Auswertekanal zur Auswertung der Nulldurchgänge der Signale und in einem zweiten Auswertekanal zur Аиз-wertung des momentanen Phasenzustandes der Signale zwischen zwei Nulldurchgäagen herangezogen.
Die Grobinformationswerte des ersten Auswertekanals und die Peininformationswerte des zweiten Auswertekanals werden gemeinsam in einer Informationsverwertungsstufe weiterverarbeitet. Es werden also die Voraussetzungen für eine Modulation der Trägersignale mit den entsprechenden Primäreignalen des Meßkopfes nicht im Meßkopf geschaffen, sondern in einer speziellen Nachfolgeschaltung· Liesѳ Einrichtung ist für fotoelektrische Meßsysteme geeignet, bei denen z. B. die Gewinnung der Weg- und Winkelfunktionen über eine abbildende Zwischenoptik zur Moireerzeugung erfolgt und allen nachgeschalteten Potoempfängern eine unmodulierte,gemeinsame Lichtquelle zugeordnet ist.
Ziel der Erfindung
Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und den technischen Aufwand für hochauflösende fotoelektrische Meßsysteme zu senken.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation für Meßsysteme zu schaffen, bei welcher ein hoher Interpolationsfaktor erzielt werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation von Weg- und Winkelinformationen, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem Eastermaßetab, einem fotoelektrischen Tastkopf und einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit, dadurch gelöst, daß eine von einem Hochfrequenzgenerator entsprechend den Tr ä&erf unkt ionen sinG) ^ ^ cos ^Y ausgesteuerte und den Hastermaßstab direkt beleuchtende Beleuchtungseinrichtung vorgesehen ist, daß ansich bekannte
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differenzbildende Operationsverstärker und selektive Filter zur Bildung amplitudenmodulierter Signale einttfmt· с03у gt und einigt · cosLj ^t den Fotoempfängern nachgeschaltet sind, daß ein die Summenfunktion sin (ω- +u)„)t bildender, an sich bekannter Summierverstärker vorgesehen ist, dem ein Analog- Digital- Wandler und einePhasenauswerteeinheii; zur Gewinnung von absolut phasenproportionaleii Weg- und Winkelinformationen durch Vergleich der digitalisierten Summenfunktion sin(ü) T+o)g)t mit der Trägerfunktion sinui„t in Reihenfolge nachgeschaltet sind, und daß ein, die digitale Auswertung des Phasenraumes entsprechend dem gewählten Interpolationsfaktor ausführender Impulsgenerator vorgesehen ist, wobeiu) m die Ereisfrequenz der Trägerfrequenz und 0J3 die Kreisfrequenz der Weg- und Winkelinformation sind.
Dabei ist es vorteilhaft, daß die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei von einem hochfrequenten Impulsgenerator abgeleitete Trägerfunktionen sin CO »t und coscjJ _t modulierte Lunimeszenzdioden umfaßt.
Ъ Weitere Ausführungsformen zur Signalgewinnung stellen die bekannten Verfahren zur Moireerzeugung dar.
Die Erfindung ermöglicht durch einen hohen Interpolationsfaktor (> I00) eine hohe Auflösung und damit unterteilung eines Grobintervallest itarch Wegfall einer Zwischenoptik
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Ausführt» ngabeispielt
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, welches in der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist· Die Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation umfaßt ein hochauflösendes fotoelektrisches Meßsystem und besteht aus einer Beleuchtungseinrichtung 1, einem Rastermaß at ab 2 und einem fotoelektrischen Tastkopf, wobei der Rastermaßstab 2 relativ zur Beleuchtungseinrichtung 1 und zum Tastkopf bewegbar ist· Eine Signalverarbeitungseinheit ist dem Tastkopf nachgeordnet·
Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfaßt zwei Lumineszenzdioden 3 und 4 zur Beleuchtung des Hastermaßstabes 2, die nach den von einem Hochfrequenzgenerator 5 abgeleiteten Trägerfunktionen sin iüj.'t und cos u>rt ausgesteuert werden« Hierin sind c*^ die Kreisfrequenz der Trägerfunktion und <*>s die Kreisfrequenz der Y/eg- oder Winkelinformation· Hinter vier um jeweils ein Viertel der Gitterkonstante K des Rastermaßstabes 2 zueinander versetzten Strichfeldern einer Abtastplatte 6 sind vier Fotoempfänger 7, 8, 9 und 10 angeordnet, denen differenzbildende Operationsverstärker 11, 12 und selektive Filter 13, 14 zur Bildung amplitudenmodulierter Signale sin toTt · cos oist · und sin c^t cos ситі uachgeschaltet sind·«Ein Summierverstärker 15 dient der Bildung der Summenfunktion ain±(u>T + tos )t · Zur Gewinnung der absolut phasenproportionalen Weg- und Winkelinformation aus dem
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Vergleich der digitalisierten Summenfunktion sin (üjt+<*>s )t mit der Trägerfunktion sin CJTt sind ein Analog-Digital-Wandler 16 und eine digitale Phasenauswerteeinheit 17 dem Summierverstärker t5 nachgeschaltet·
5. Die Wirkungsweise der Einrichtung wird nachstehend beschrieben· Die vier Fotoempfänger 7, 8, 9, 10 empfangen jeweils hinter den vier jeweils um K/4 des Rastermaßstabes 2 zueinander versetzten Strichfeldern der Abtastplatte 6 die elektrischen Weg- und Winkelinformationen· Dabei werden die Fotoempfänger 7 und 8 von der Lumineszenzdiode 3 und die Fotoempfänger 9 und 10 von der Lumineszenzdiode 4 beleuchtet. Von dem Hochfrequenzgenerator 5, dessen Frequenz f entsprechend der Meßwertauflösung im Kanal 1 gewählt wird, werden über digitale Frequenzteiler 18 und 19 und über identische Filter 20 und 21 die Trägerfunktionen sin tüT£ und cos o#T"t gebildet, mit denen die Lumineszenzdioden 3 und 4 angesteuert werden·
Die Fotoempfänger 7, 8, 9 und 10 erhalten wechselnde Fotoströme, die durch Überlagerung von hochfrequentem Licht der Beleuchtungseinrichtung 1 entsprechend der Frequenz f und einem niederfrequenten Anteil entsprechend der Frequenz ts , der aus der Bewegung des Rastermaßstabes 2 gegenüber der Abtastplatte 6 resultiert, gekennzeichnet sind· Zwischen den Strichfeldern der Fotoempfänger 7 und 8 und denen der Fotoempfänger 9 und 10 besteht ein geometrischer Versatz in der Rasterteilung von K/2 · Demnach beträgt dieser Versatz zwischen dan Fotoempfängern 7 und 9 und 8 und 10 К/Ц- · An diesen Fotoempfängern 7« 8, 9 und 10 entsteht jeweils eine nichtlineare verzerrte Ausgangsfunktion, die sich aus einem Gleichspannungsanteil, einem trägerfrequenten und einem niederfrequenten Anteil sowie deren Oberwellen und dem Produkt sin Ui7. t · cos OJ51 bzw· sin (д>£І · cos ωτΐ zusammensetzt· Nach Abgleich der Signale der Fotoempfänger und des Gleichspannungsanteils werden durch nachfolgende Differenzbildung der Fotoempfängerpaare 7/8 bzw· 9/10
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in den Operationsverstärkern 11 und 12 und selektiver Filterung in den selektiven Filtern 13 und 14 die amplitudenmodulierten Funktionen sin CJ> ΐ · cos ujct bzw· sin tüjt · cos iüTt gewonnen·
Diese beiden amplitudenmodulierten Signale werden dem Summierverstärker 15 zugeführt, in welchem die Summenfunktion sin ( bJr+Os )i gebildet wird· Der Term if-uisi: ist proportional dem vom Rastermaßstab 2 zurückgelegten Weg· In dem Analog-Digital-Umsetzer 16 wird die Sumraenfunktion digitalisiert und in der Phasenauswerteeinheit 17 mit der digitalisierten Funktion siniJrt verglichen und in einem Zähler 22 der Phasenraum entsprechend der geforderten Auflösung digital ausgezählt* Die Gewinnung der Feinwerte innerhalb einer Interpolationsperiode des RastermaßStabes 2 erfolgt im Kanal 1 über eine digitale Phasenmessung absolut· Jedem Momentanwert der Wegfunktion sin uix"t bzw· cos to^t ist nur ein bestimmter Phasenwert zugeordnet, der unabhängig von Störungen innerhalb der Interpolationsperiode reproduzierbar ist· Die Grobwerte (Interpolationaperioden) entsprechend sin u)st bzw· cos üj^t werden aus dem überlagerten Frequenzgemisch durch Filterung bzw· Demodulation in der Einheit 23 gewonnen und stehen nach Aufbereitung und Digitalisierung im Kanal 2 für eine Verknüpfung mit den Feinwerten im Zähler 22 zur Verfügung.
Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, in der Beleuchtungseinrichtung vier modulierte Lumineszenzdioden vorzusehen, wobei jeweils zwei dieser Dioden mit der gleichen Trägerfunktion sin cJTt bzw· cos uTt moduliert werden· Deaweiteren ist es möglich, die Fotoempfänger 7, 8, 9 und 10 selbst mit einem Raster mit der Rasterkonstanten K zu varsehen und um K/4 zueinander versetzt gegenüber dem Rastermaßstab 2 aur Gewinnung von vier um 90° phasenverschobenen Signalen im Tastkopf anzuordnen, wobei K die Rasterkonstante dea Rastermaßstabes 2 ist·
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Claims (2)

» 7 - 2 09425 Erfindungsanspruch.
1» Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Inter« polation von Weg- und Winkelinformationen, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem Rastermaßstab und einem fotoelektrischen Tastkopf, wobei der Rastermaßstab relativ zum Tastkopf und zur Beleuchtungseinrichtung bewegbar ist und dem fotoelektrischen Tastkopf eine Signalverarbeitungseinheit nachgeordnet ist und der Tastkopf vier nichtlineare IJ- I- Kennlinien besitzende Fotoempfänger aufweist, die hinter einer vieijum jeweils einem Viertel der Gitterkonstante K des Raetermaßstabes zueinander versetzte Strichfelder aufweisenden Abtastplatte angeordnet sind, dadurch, gekennzeichnet,
daß eine von einem Hochfrequenzgenerator (5) entsprechend den Trägerfunkt ionen sincyt und coscyt ausgesteuerte und den Rastermaßstab (2) direkt beleuchtende Beleuchtungseinrichtung (1) vorgesehen ist, daß on sich bekannte, differenzbildende Operationsverstärker (11; 12) und selektive Filter (13jH) zur BiI-
amplitudonmodulierter Signale sinn>Tt«cosca5t und ^t'cosoj-t den Fotoempfängern (7j8j9;1o) nachgeschaltet sind,
daß ein die Summenfunktion sin (u>t .+&t)t bildender,an sich bekannter Summierverstärker (15) vorgesehen ist, dem ein Analog- Digital- Wandler (16) und eine Phasenauswerteeinheit (17) zur Gewinnung von absolut phasenproportionaler Weg- und Winkelinformationen durch Vergleich der digitalisierten Summenfunktion sin (<^T+<^)t
5a> mit der Trägorfunktion sin^yt in Reihenfolge nachgeordnet sind,
und daß ein, die digitale Auswertung des Phasenraumes entsprechend dem gewählten Interpolationsfaktor ausführender, hochfrequenter Impulsgenerator (5) vorgesehen ist, wobei«oT die Kreisfrequenz der Trägerfre-
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«. 8 —
quenz und ω die Kreisfrequenz der Weg- und Winkelinformation sind?
2· Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (1) mindestens zwei durch einen Hochfrequenzgenerator (5) mit Trägerfunktionen sino) mt und co3(umt modulierte bumineszenzdioden (3*4) umfaßt.
Hierzu !Seite Zeichnungen
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ATE37091T1 (de) * 1983-10-03 1988-09-15 Rsf Elektronik Gmbh Verfahren zum messen von laengen und winkeln auf optoelektronischem wege und messeinrichtung zur durchfuehrung des verfahrens.
DE3823314A1 (de) * 1988-07-09 1990-01-11 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Lichtelektrische positionsmesseinrichtung
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