DD143953B1 - Optical-electronic measuring device for incremental angle measurement - Google Patents
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Description
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Titel: Optisch-elektronische Meßeinrichtung zur inkrementalen Winkelmessung Title: Optical-electronic measuring device for incremental angle measurement
Die Erfindung betrifft eine optisch-elektronische Meßeinrichtung zur inkrementalen Winkelmessung bis zu Auflösungen von Bruchteilen von Bogensekunden, vorzugsweise für Peinmeß- und Vermessungsgeräte.The invention relates to an optical-electronic measuring device for incremental angle measurement up to resolutions of fractions of arc seconds, preferably for Peinmeß- and surveying equipment.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: In der Literatur zur Moiretechnik sind viele Entstehungsmöglichkeiten von MoirtStrukturen beschrieben, die sich allgemein formuliert immer dann einstellen, wenn ein Lichtstrom nacheinander mindestens zwei Teilungen oder Gitter durchsetzt. Characteristic of the Known Technical Solutions: In the literature on moire technology, many ways of creating moiré structures are described, which, generally speaking, are always established when a luminous flux successively passes through at least two divisions or gratings.
In der DE-AS 1.798,368 ist eine optisch-elektrische Winkelmeßeinrichtung beschrieben, welche eine mit einem Strichgitter versehene drehbare Scheibe umfaßt. Eine zweite, zu dieser Scheibe exzentrisch angeordnete Gegengitterscheibe ist mit einem Gitter gleicher Gitterkonotante versehen. Bei dieser Winkelmeßeinrichtung v/erden mittels der exzentrisch zueinander angeordneten Scheiben, die gleichartige Radialgitter besitzen, Moirfcstrukturen in Form apollonischer Kreise erzeugt, welche fotoelektrisch abgetastet werden. Die Abtaststellen mit den Potoempfängern sind diametral zu den Scheiben versetzt angeordnet, um Exzentrizitätsfehler bei der Eewegung der Scheiben relativ zueinander, welche die Messungen verfälschen können, auszuschalten. Bei dieser EinrichtungIn DE-AS 1,798,368 an optical-electrical angle measuring device is described, which comprises a provided with a grating rotatable disc. A second, to this disc eccentrically arranged counter-grating disc is provided with a grid of the same Gitterkonotante. In this angle measuring v / ground by means of eccentrically arranged discs which have similar radial lattice Moirfcstrukturen generated in the form of apollonian circles, which are scanned photoelectrically. The scanning sites with the photoreceivers are arranged offset diametrically to the disks in order to eliminate eccentricity errors in the movement of the disks relative to one another, which can falsify the measurements. At this facility
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erfolgt die Abtastung der Moirii streifen durch Fotoempfänger im Vier-Phasen-Abtastverfahren.. Die bekannte Winkelmeßeinrichtung enthält jedoch Fotoempfänger mit großen Empfängerflächen, die für viele Anwendungsfälle hinsichtlich der Dynamik der Meßwertermittlung und der Miniaturisierung ungeeignet sind, V/eiterhin ist es vor allem bei kleinen Teilungsdurchmessern der Scheiben ungünstig, daß durch eine fehlende starre Verbindung zwischen den Fotoempfängern und der Gegengitterscheibe eine größere Anzahl von Freiheitsgraden eine- eindeutige Justierung der Teile zueinander erschwert. Auch lassen sich Restfehler in Form von Schwankungen der Moir^periode nicht kompensieren. Die Fehler wirken sich insbesondere bei kleinen Scheibendurchmessern negativ auf die Abtast- und damit Meßgenauigkeit der gesamten Einrichtung aus.However, the known angle measuring device contains photoreceivers with large receiver surfaces, which are unsuitable for many applications in terms of dynamics of the measurement and the miniaturization, V / eiterhin it is especially in small Division diameters of the discs unfavorable that complicates a lack of rigid connection between the photoreceptors and the counter-grid disc a greater number of degrees of freedom unambiguous adjustment of the parts to each other. Also residual errors in the form of fluctuations of the moire period can not be compensated. The errors have a negative effect on the scanning and thus measuring accuracy of the entire device, especially for small disc diameters.
.Der Zweck der Erfindung liegt in der Beseitigung der Mängel des Standes der Technik, in der Verringerung der Baugröße und des Kostenaufwandes sowie in einer Erhöhung der Meßgenauigkeit bei Winkelmeßeinrichtungen.The purpose of the invention is to eliminate the deficiencies of the prior art, in the reduction of the size and the cost and in an increase in the measurement accuracy in angle measuring.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine inkrementale Winkelmeßeinrichtung zu schaffen, bei welcher durch eine günstige justierbare Lage der Abtaststellen und eine besondere Gestaltung und Anordnung der Fotoempfänger eine hohe Auflösung und Meßgenauigkeit gegeben sind.The invention has for its object to provide an incremental angle measuring, in which a high resolution and accuracy are given by a convenient adjustable position of the sampling and a special design and arrangement of the photoreceptor.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer solchen Meßeinrichtung, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung, eine mit einem Strichgitter versehene, drehbare Strichgitter-This object is achieved in such a measuring device, comprising a lighting device, provided with a grating, rotatable grating
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scheibe, eine dazu exzentrisch angeordnete Abtastgitterscheibe und Potoempfanger, dadurch gelöst, daß zwei zur Strichgitterscheibe justierbare, diametral einander gegenüberliegende Abtastgitter vorgesehen sind, deren Zentren außerhalb der Drehachse der Strichgitterscheibe, jedoch mit der Drehachse auf einer Linie liegen, daß die Abtastgitter mit den Fotoempfängern starr verbunden sind, wobei zu jedem Abtastgitter vier in einer tangential zur Strichgitterscheibe verlaufenden Ebene angeordnete Fotoempfänger vorgesehen sind, und daß der Abstand zwischen den beiden äußeren Fotoempfängern einer jeden Empfängergruppe dem dreiviertelsten Betrag der Periode der Moir£- strukturen (Moireperiode) entspricht.disc, a purpose arranged eccentrically Abtastgitterscheibe and Potoempfanger, solved in that two adjustable to the grating disc, diametrically opposed scanning gratings are provided, whose centers are outside the axis of rotation of the grating, but with the axis of rotation on a line that the Abtastgitter with the photodetectors rigid For each scanning grating, four photoreceivers arranged in a plane tangent to the grating disk are provided, and the distance between the two outer photoreceivers of each receiver group corresponds to three quarters of the magnitude of the period of the moire (moire period).
Dabei sind die Abtastgitter sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung zur Erzeugung einer optimalen Moirestruktur in bezug auf die Strichgitterscheibe justierbar und mit der Beleuchtungseinrichtung starr verbunden.In this case, the scanning gratings are adjustable both in the radial and in the tangential direction to produce an optimum moire structure with respect to the grating disk and rigidly connected to the illumination device.
Es ist vorteilhaft, daß durch die getrennte, justierbare Anordnung der Gegengitter durch Periodenschwankungen der Moir'estrukturen bedingte Restfehler bei der Abtastung kompensiert v/erden können. Weiterhin wird der optischmechanische Aufwand verringert und die Justierung durch Reduzierung der Justierbedingungen vereinfacht. Durch die Wahl des Abstandes der Zentren der Gitter und deren Lage zusammen mit der Drehachse auf einer Geraden ist es möglich geworden, Moiresignale bestimmter Größe und Phase in bezug auf die Anordnung der Fotoempfänger einzustellen und somit eine hohe Interpolation und Genauigkeit zu erreichen.It is advantageous that can be compensated by the separate, adjustable arrangement of the counter grid caused by period variations of Moir'estrukturen residual error in the sample v / ground. Furthermore, the optical mechanical effort is reduced and simplifies the adjustment by reducing the Justierbedingungen. By selecting the distance of the centers of the gratings and their position together with the axis of rotation on a straight line, it has become possible to set Moiresignale certain size and phase with respect to the arrangement of the photoreceptor and thus to achieve high interpolation and accuracy.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show
Pig· 1 die Erzeugung von MoireStrukturen durchPig · 1 the generation of MoireStrukturen by
zwei exzentrisch angeordnete, radiale Strichgitter, Fig. 2 die Umsetzung der Moireerzeugung fürtwo eccentrically arranged, radial grating, Fig. 2 shows the implementation of Moireerzeugung for
eine Meßeinrichtung und Pig. 3 einen Schmitt durch eine Meßeinrichtung.a measuring device and Pig. 3 a Schmitt by a measuring device.
Bei der optisch-elektronischen Meßeinrichtung zur inkreraentalen Y/inkelmessung wird eine spezielle Form des Moireeffektes benutzt. Gemäß Fig. 1 liegt der Einrichtung die an sich bekannte Moir£erzeugung durch zweiIn the optical-electronic measuring device for incremental Y / ink measurement, a special form of Moire effect is used. According to Fig. 1, the device is the per se known moire generation by two
exzentrische Radialgitter gleicher Gitterkonstante zugrunde, von denen Ausschnitte in der Figur schematiscb dargestellt sind. Die Gitterlinien eines jeden Gitters 1 und 2 stellen mathematisch eine einparametrige Kurvenschar mit den Scharparametern n^ bzw. n^ dar. Für den in Fig. 1 dargestellten Zustand liegen die 0.-Gitterlinien auf der Mittelpunktsgeraden, die durch die beiden Gitterzentren 1' und 2» führt. Infolge der exzentrischen Verschiebung der Zentren "P und 2' im Abstand 4 schneiden sich die Gitterlinien der Gitter 1 und 2. Eine Anzahl von Schnittpunkten trägt dann zur Entstehung eineseccentric radial lattice same lattice constant underlying, of which cutouts are shown schematiscb in the figure. The grid lines of each grid 1 and 2 represent mathematically a one-parameter set of curves with the family parameters n ^ and n ^. For the state shown in Fig. 1 are the 0-grid lines on the midpoint line through the two grid centers 1 'and 2 »leads. Due to the eccentric displacement of the centers "P and 2 'at a distance of 4, the grid lines of the grids 1 and 2 intersect. A number of points of intersection then contributes to the formation of a
Moir^streifens 5 bei, wenn deren gegenseitiger Abstand kleiner als zu den anderen benachbarten Schnittpunkten ist. Eine solche Bedingung liegt beispielsweise für zwei Schnittpunkte vor, die von den Geradenpaaren п.. = i + ρ und Dg = i sowie п., = i + j + ρ und Da = i + j (i, j = 0,1,2,3 ···) gebildet warden und sich demzufolge gemeinsam um den gleichen Zahlenwert ρ unterscheiden. So entsteht ein System von Ltoireatreifen mit dem Scharparameter bzw. der Ordnungszahl ρ = n^ - ng (ρ « 0,1,2,3 ♦ ♦.)«Moir strip 5 if their mutual distance is smaller than to the other adjacent intersections. Such a condition exists, for example, for two points of intersection which are of the pairs of straight lines п .. = i + ρ and Dg = i and п., = I + j + ρ and Da = i + j (i, j = 0,1, 2,3 ···) are formed and consequently differ in common by the same numerical value ρ. This results in a system of Ltoireatreifen with the flock parameter or the atomic number ρ = n ^ - n g (ρ «0,1,2,3 ♦ ♦.)«
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Werden ζ. B. auf der Mittelpunktsgeraden die Zentren gegeneinander verschoben, so ändert sich die Entfernung 6 zwischen zwei benachbarten Moirestreifen 5, z. B. zwischen denen der Ordnung ρ = 0 und ρ = + 1 , die dein Umfang einer Moireperiode entspricht· Bei der Meßeinrichtung sind deshalb in einer bestimmten Entfernung 3 von dem Zentrum 1' Fotoempfänger 7 auf einer Normalen zur Mittelpunktgeraden angeordnet und durch Wahl des Abstandes 4 der Gitterzentren 11 und 2» werden Moir£signale bestimmter Größe und Phase in bezug auf die Empfängeranordnung eingestellt. Die Lichtmodulation der Signale ist nahezu sinusförmig.Become ζ. B. on the midpoint line the centers shifted from each other, the distance 6 changes between two adjacent Moirestreifen 5, z. Therefore, in the measuring device, 3 are arranged at a certain distance 3 from the center 1 'of the photoreceptor 7 on a normal to the center line and by selecting the distance 4 of the lattice centers 1 1 and 2, moire signals of a specific size and phase are adjusted with respect to the receiver arrangement. The light modulation of the signals is almost sinusoidal.
Obwohl die MoirBstrukturen (Moirestreifen) hinsichtlich ihrer Form apollonische Kreise durch die Gitterzentren 1 und 2' sind, kann ihr Verhalten im Bereich der Fotoempfänger 7 (Fig. 2) mit hinreichender Genauigkeit als linear angesehen werden, wenn nur Streifen niederer, höchstens 2» Ordnung zur Signalgewinnung beitragen» Dieses kann im Justiervorgang durch eine bestimmte Zu-Ordnung der Zentren 1' und 2» zur Ebene der Fotoempfänger 7 stets erreicht werden.Although the moire fringes are apollonic circles through the lattice centers 1 and 2 'in shape, their behavior in the area of the photoreceptors 7 (Fig. 2) can be considered with sufficient accuracy to be linear if only strips of low, at most 2 "order contribute to the signal acquisition »This can always be achieved in the adjustment process by a certain order of the centers 1 'and 2» to the level of the photoreceptor 7.
Die in Fig. 2 dargestellte Umsetzung der MoirBerzeugung für eine Meßeinrichtung umfaßt ein als Kreisring ausgebildetes Gitter 1, v/elches die Meßverkörperung darstellt und ein Gitter 2, welches ein Abtastgitter ist und die Form eines Kreisringsektors besitzt. In dieser Fig. 2 sind die Drehachse einer Strichgitterscheibe, die das Gitter 1 trägt und das Gitterzentrum 1· identisch. In einem Abstand 3 vom Gitterzentrum 1', welcher etwa dem mittleren Radius des Gitters 1 entspricht, sind tangential zum Teilkreisdurchmesser auf einer GeradenThe implementation of the moire generation for a measuring device illustrated in FIG. 2 comprises a grating 1 designed as a circular ring, which represents the measuring embodiment and a grating 2 which is a scanning grating and has the shape of a circular ring sector. In this Fig. 2, the axis of rotation of a grating plate, which carries the grid 1 and the lattice center 1 · are identical. At a distance 3 from the lattice center 1 ', which corresponds approximately to the mean radius of the lattice 1, are tangent to the pitch circle diameter on a straight line
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vier Fotoempfänger 7, vorzugsweise in Form von Fotoerapfängerchips in gleichen Abständen zueinander angeordnet· Das Gitter 2, welches das Abtastgitter darstellt, ist so zum Gitter 1 ausgerichtet, daß sein Zentrum 2' auf der Normalen 7' zur Ebene der Fotoempfänger 7 liegt, auf der auch das Zentrum 1' des Gitters 1 oder der Drehpunkt liegen. Vorteilhafterweise sind bei der Meßeinrichtung das Abtastgitter 2 und die Fotoelemente 7 starr verbunden, wobei das Abtastgitter 2 so ausgerichtet ist, daß sein Zentrum 2' (Fig. 1) ebenfalls auf der Normalen 7f zur Ebene der Fotoempfänger 7 lokalisiert ist, .wie das Zentrum 1'·Four photoreceivers 7, preferably in the form of photoreceptor chips, are arranged at equal distances from one another. The grating 2, which represents the scanning grating, is aligned with the grating 1 so that its center 2 'lies on the normal 7' to the plane of the photoreceivers 7 on which also the center 1 'of the grating 1 or the fulcrum lie. Advantageously, in the measuring device, the scanning grating 2 and the photo elements 7 are rigidly connected, wherein the scanning grating 2 is aligned so that its center 2 '(Figure 1) is also located on the normal 7 f to the plane of the photoreceptor 7 Center 1 '·
Durch ein radiales Verschieben des Abtastgitters 2 werden die Moirestrukturen oder -streifen 5 so eingestellt, daß der Abstand der äußeren der vier Fotoempfänger 7 dem dreiviertelsten Betrag der Periode der Moirestreifen 5 entspricht. Es besteht damit zwischen den einzelnen Fotoempfängern 7 und deren Signale eine Phasendifferenz von 90°, und es kann die an sich bekannte Vierphasenauswertung der Signale durchgeführt v/erden.By a radial displacement of the scanning grating 2, the moire structures or strips 5 are adjusted so that the distance of the outer of the four photoreceptor 7 corresponds to the three-fourths of the period of the Moirestreifen 5. There is thus a phase difference of 90 ° between the individual photoreceivers 7 and their signals, and the known four-phase evaluation of the signals can be carried out.
Die in Fig. 3 dargestellte Meßeinrichtung umfaßt einen Grundkörper 8, in welchem in Lagern 9 auf einer Achse 10 die als Maßverkörperung dienende Strichgitterscheibe 11 angeordnet ist, welche das Gitter 1 trägt. Unter der Strichgitterscheibe 11 befinden sich justierbar auf dem Grundkörper 8 zwei diametral einander gegenüberliegende Abtastgitter 2, die jeweils mit den Fotoempfängern 7 und einer Leiterplatte 12 fest verbunden sind. In der Fig. 3 über der Strichgitterscheibe 11 ist auf jeder Seite eine aus einer Lichtquelle 13 und einem Kondensor 14 bestehende Beleuchtungseinrichtung 15 vorgesehen, welche ebenfalls starr mit Grundkörper 8 verbunden ist und dieThe measuring device shown in Fig. 3 comprises a base body 8, in which in bearings 9 on an axis 10 serving as a measuring scale grating disk 11 is arranged, which carries the grid 1. Under the grating 11 are located on the base body 8 adjustable two diametrically opposed Abtastgitter 2, which are each firmly connected to the photoreceptors 7 and a printed circuit board 12. In Fig. 3 on the grating plate 11 is provided on each side of a light source 13 and a condenser 14 existing lighting device 15, which is also rigidly connected to the base body 8 and the
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Gitter 1. und 2 mit vorzugsweise parallelem Licht durchstrahlt.Grids 1 and 2 irradiated with preferably parallel light.
Um die Kompensationsfähigkeit der diametralen Abtastung der Strichgitterscheibe 11 im Hinblick auf Fehler in der Lagerung zu gewährleisten, muß beachtet werden, daß die beiden Gitter 2 gleichermaßen entweder nach außen oder beide nach innen in radialer Richtung verschoben werden. Die auf jeder Seite bei der Abtastung durch die Fotoempfänger 7 gewonnenen Analogsignale werden vorteilhaft digitalisiert und können über eine Mittelwertbildung zwecks Eliminierung von Exzentrizitätsfehlern verknüpft werden.In order to ensure the ability to compensate the diametrical scanning of the grating disk 11 with respect to errors in the storage, it must be noted that the two grids 2 are shifted equally either outwardly or both inwardly in the radial direction. The analog signals obtained on each side in the scanning by the photoreceivers 7 are advantageously digitized and can be linked by averaging for the purpose of eliminating eccentricity errors.
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