DD139897B1 - DEVICE FOR TRAITER-REFERENCE AND INTERPOLATION - Google Patents
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Description
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Titel: Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation Title: Device for carrier frequency sampling and interpolation
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.The invention relates to a device for carrier frequency scanning and interpolation of path and angle information for working after Duroh- or Auflichtverfahron photoelectric measuring systems, in particular for measuring instruments and machine tools.
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. Characteristic of the Known Technical Solutions In order to increase the resolution in the case of photoelectric path and angle displacement methods and devices, z · B · interpolators are used which are based on the amplitude gating of the primary signals emitted by the photoelectric measuring head of the measuring systems. The subdivision of the signal period of the primary signals is carried out either by precision triggers or high-precision voltage dividers with subsequent superimposition of the corresponding punctures (DS-AS 1 498 137). Such interpolators require a high adjustment effort of the electronic components with increasing interpolation factor. Deaweiteren is only achieved an interpolation factor including digital multiplication of about 4o - 8o. As the interpolation factor increases, the circuitry complexity for the interpolator increases, and the requirements for the primary signals of the measuring head with regard to the signal shape, amplitude stability, phase angle and DC signal increase.
Ein phasenzyklisches, trägerfrequentes Interpolations-J0 verfahren und eine Einrichtung zur Meßwertermittlung bei fotoelektrischen Weg- und Winkelmeßsystemen ist in der DD-PS 128 328 beschrieben·Process a phase-cyclic, carrier-interpolation J 0 and a device for measured value determination for photoelectric distance and angle measurement is described in DD-PS 128 328 ·
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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.In this case, the quaai sinusoidal signals are used in a first evaluation channel for evaluating the zero crossings of the signals and in a second evaluation channel for assessing the instantaneous phase state of the signals between two zero crossings.
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.The coarse information values of the first evaluation channel and the pain information values of the second evaluation channel are further processed together in an information utilization stage. Thus, the conditions for a modulation of the carrier signals with the corresponding primary signals of the measuring head are not created in the measuring head, but in a special follow-up circuit · Liesѳ device is suitable for photoelectric measuring systems in which z. B. the recovery of the path and angle functions via an imaging intermediate optics for Moireerzeugung takes place and all downstream Potoempfängern an unmodulated, common light source is assigned.
Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und den technischen Aufwand für hochauflösende fotoelektrische Meßsysteme zu senken.It is the purpose of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to reduce the technical complexity of high-resolution photoelectric measuring systems.
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.The invention has for its object to provide a means for carrier frequency scanning and interpolation for measuring systems, in which a high interpolation factor is to be achieved.
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 bekannteAccording to the invention, this object is achieved in a device for carrier-frequency scanning and interpolation of path and angle information, consisting of a lighting device, an Eastermaßetab, a photoelectric probe and a downstream signal processing unit, characterized in that one of a high frequency generator according to the Tr ä & unkt ionen sinG) ^ ^ cos ^ Y controlled and the haster scale directly illuminating lighting device is provided that ansich known
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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.difference-forming operational amplifiers and selective filters for the formation of amplitude-modulated signals einttfmt · с03у gt and einigt · cosLj ^ t the photoreceivers are connected, that a sum function sin (ω- + u) ") t forming, per se known summing amplifier is provided to which an analog Digital converters and a phase evaluator; for obtaining absolutely phase-proportional path and angle information by comparison of the digitized sum function sin (t) T + o) g) t with the carrier function are not connected in sequence, and in that the digital evaluation of the phase space is performed according to the selected interpolation factor Pulse generator is provided, whereu) m Ereisfrequenz the carrier frequency and 0J 3 are the angular frequency of the path and angle information.
Dabei ist es vorteilhaft, daß die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei von einem hochfrequenten Impulsgenerator abgeleitete Trägerfunktionen sin CO »t und coscjJ _t modulierte Lunimeszenzdioden umfaßt.In this case, it is advantageous for the illumination device to comprise at least two carrier functions derived from a high-frequency pulse generator sin C t and coscj _t modulated luminescence diodes.
Ъ Weitere Ausführungsformen zur Signalgewinnung stellen die bekannten Verfahren zur Moireerzeugung dar. Ъ Further embodiments for signal extraction represent the known methods for Moireerzeugung.
Die Erfindung ermöglicht durch einen hohen Interpolationsfaktor (> I00) eine hohe Auflösung und damit unterteilung eines Grobintervallest itarch Wegfall einer ZwischenoptikThe invention makes it possible, by means of a high interpolation factor (> 100), to achieve a high resolution and thus to subdivide a coarse interval t itarching away from intermediate optics
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Ausführt» ngabeispielt Execution Example t
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·The invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment, which is illustrated in the accompanying drawing. The carrier frequency scanning and interpolation apparatus comprises a high-resolution photoelectric measuring system and consists of a lighting device 1, a pitch 2 and a photoelectric probe, wherein the Grid scale 2 is movable relative to the illumination device 1 and the probe head · A signal processing unit is arranged downstream of the probe head ·
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 demThe lighting device 1 comprises two light emitting diodes 3 and 4 for illuminating the Hastermaßstabes 2, which are controlled according to the derived from a high frequency generator 5 carrier functions sin iüj.'t and cos u> r t "Herein, c * ^ is the angular frequency of the carrier function and <* · s the angular frequency of the Y / eg- or angle information · Four four photoreceivers 7, 8, 9 and 10 are arranged behind four by a quarter of the lattice constant K of the grid scale 2 staggered bar fields of a scanning 6, the differential operational amplifier 11, 12 and selective filters 13, 14 amplitude-modulated to form signals sin to T t * cos oi s t * and sin c ^ t cos си т і uachgeschaltet are · "A summing amplifier 15 is used to form the sum function ain ± (u> T + to s) t · To obtain the absolute phase-proportional path and angle information from the
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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·Comparison of the digitized summation function sin (ω t + <*> s ) t with the carrier function sin CJ T t are an analog-to-digital converter 16 and a digital Phasenauswerteeinheit 17 the summing amplifier t5 downstream ·
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·5. The mode of operation of the device will be described below. The four photoreceptors 7, 8, 9, 10 each receive the electrical path and angle information behind the four bar fields of the scanning plate 6 offset by K / 4 of the grid scale 2 7 and 8 of the light emitting diode 3 and the photoreceivers 9 and 10 of the light emitting diode 4 illuminated. From the high-frequency generator 5, the frequency f is selected according to the Meßwertauflösung in channel 1, the carrier functions sin tü T £ and cos o # T "t are formed via digital frequency divider 18 and 19 and identical filters 20 and 21, with which the light emitting diodes 3 and 4 are driven ·
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· 9/10The photoreceivers 7, 8, 9 and 10 receive alternating photocurrents, which are characterized by superposition of high-frequency light of the illumination device 1 according to the frequency f and a low-frequency component corresponding to the frequency t s resulting from the movement of the grid scale 2 with respect to the scanning 6 There is a geometric offset in the grid pitch of K / 2 between the bar fields of the photoreceivers 7 and 8 and those of the photoreceivers 9 and 10. Accordingly, this offset between the photoreceptors 7 and 9 and 8 and 10 К / Ц · At this Photoreceivers 7, 8, 9 and 10 each produce a non-linear distorted output function, which consists of a DC voltage component, a carrier-frequency component and a low-frequency component as well as their harmonics and the product sin Ui 7 . t · cos OJ 5 or 1 · sin (д> £ І * cos ω τ ΐ composed · After comparing the signals of the photodetector and the DC component are by subsequent subtraction of the photo receiver pairs 7/8 or 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·in the operational amplifiers 11 and 12 and selective filtering in the selective filters 13 and 14, the amplitude-modulated functions sin CJ> ΐ · cos uj c t or · sin tüjt · cos iü T t are obtained ·
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.These two amplitude-modulated signals are fed to the summing amplifier 15, in which the sum function sin ( bJ r + O s ) i is formed. The term if-ui s i: is proportional to the distance traveled by the grid scale 2 in the analog-to-digital converter 16 the Sumraenfunktion is digitized and compared in the phase evaluation unit 17 with the digitized function siniJ r t and digitally counted in a counter 22, the phase space according to the required resolution * The extraction of the fine values within an interpolation period of the RastermaßStabes 2 takes place in channel 1 via a digital phase measurement absolute · Each instantaneous value of the path function sin ui x t or cos to t is assigned only a specific phase value which is reproducible independently of disturbances within the interpolation period. The coarse values (interpolation periods) corresponding to sin u) s t and cos uj t be from the superimposed frequency mixture by filtering or · Demodu Lation won in unit 23 and are available after editing and digitizing in the channel 2 for a link with the fine values in the counter 22 is available.
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·According to a further, not shown embodiment of the invention, it is possible to provide four modulated light-emitting diodes in the illumination device, wherein two of these diodes with the same carrier function sin cJ T t or · cos u T t are modulated · Deaweiteren it is possible, the photoreceptor 7, 8, 9 and 10 itself with a raster with the raster constant K and to offset K / 4 from each other with respect to the raster scale 2 for obtaining four signals phase-shifted by 90 ° in the probe, where K is the raster constant dea raster scale 2 ·
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Claims (2)
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+<^)tAmplitudonmodulierter signals sense> T t «cosca 5 t and ^ t'cosoj-t the photoreceivers (7j8j9; 1o) are connected downstream,
a summing amplifier (15) forming the summation function sin (u> t . + & t ) t is provided, to which an analog-to-digital converter (16) and a phase evaluation unit (17) for obtaining absolutely phase-proportional path and angle information by comparison of the digitized sum function sin (<^ T + <^) t
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