DD232349A1

DD232349A1 - Abtastraster fuer einen dual-binaerkodierten massstab fuer laengen- und winkelmesssysteme

Info

Publication number: DD232349A1
Application number: DD26596884A
Authority: DD
Inventors: Peter Steinbach
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-08-02
Filing date: 1984-08-02
Publication date: 1986-01-22

Abstract

Abtastraster fuer einen dual-binaerkodierten Massstab fuer Laengen- und Winkelmesssysteme eines sich auf einer Geraden bzw. um einen festen Drehpunkt bewegenden Objekts gegenueber einem ortsfesten oder einem sich mit dem Objekt gleich oder gegensinnig bewegten Koordinatensystem. Durch die erfindungsgemaesse Gestaltung des Abtastrasters wird die Messgenauigkeit erhoeht und der Justageaufwand fuer die Fotoempfaenger minimiert. Die erste Spur des Abtastrasters ist identisch mit der ersten Spur des dual-binaerkodierten Massstabes. Alle weiteren Spuren bestehen aus einer unteren und oberen Spurhaelfte, in denen die lichtdurchlaessigen und lichtundurchlaessigen Felder im Wechsel angeordnet sind, wobei entlang der Abtastlinie angrenzend lichtdurchlaessige Felder wechselseitig angeordnet sind. Die Breite der lichtdurchlaessigen Felder der ersten und zweiten Spur ist gleich. In allen weiteren Spuren des Abtastrasters haben die lichtdurchlaessigen Felder jeweils die doppelte Breite der lichtdurchlaessigen Felder der jeweiligen Vorgaengerspur. Die lichtundurchlaessigen Felder sind in allen der ersten Spur nachgeordneten Spuren gleich der dreifachen Breite der sie beidseitig begrenzenden lichtdurchlaessigen Felder. Fig. 2

Description

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Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Gestaltung des Abtastrasters das Auflösevermögen zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abtastraster für einen dual-binärkodierten Maßstab für Längen- und Winkelmeßsysteme mit der gleichen Anzahl Spuren und Spurhöhe wie der dual-binärkodierte Maßstab Spuren zur Verschlüsselung der einzelnen Dualstellen beinhaltet, bestehend aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Feldern, wobei in der ersten Spur ein lichtdurchlässiges Feld auf der Abtastlinie angeordnet ist und sich in allen weiteren Spuren die lichtdurchlässigen Felder rechts und links der Abtastlinie befinden dadurch gelöst, daß die erste Spur des Abtastrasters mit der ersten Spur des dual-binärkodierten Maßstabs identisch ist, daß alle weiteren Spuren aus einer oberen und unteren Spurhälfte bestehen, in denen die lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Felder im Wechsel angeordnet sind, wobei entlang der Abtastlinie angrenzend lichtdurchlässige Felder wechselseitig angeordnet sind, daß die Breite der lichtdurchlässigen Felder der zweiten Spur gleich der Breite der lichtdurchlässigen Felder der ersten Spur ist und in allen weiteren Spuren die lichtdurchlässigen Felder die doppelte Breite der lichtdurchlässigen Felder der jeweiligen Vorgängerspur aufweisen und daß in jeder der ersten Spur nachgeordneten Spuren die Breiten der lichtundurchlässigen Felder gleich der dreifachen Breite der sie beidseitig begrenzenden lichtdurchlässigen Felder entsprechen.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein hohes Auflösungsvermögen erreicht wird, allein durch die Gestaltung des Abtastrasters ohne die Anforderungen an die Fotoempfänger und die nachgeordnete elektronische Einheit zu erhöhen. Die Anforderung an die exakte Anordnung der Fotoempfänger sind gering.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: einen dual-binärkodierten Meßstab und Fig.2: ein erfindungsgemäßes Abtastraster

Längen- und Winkelmeßsysteme, die auf der Abtastung einer Maßverkörperung basieren, werden zur Messung der relativen Lage zweier Objekte zueinander angewandt, die sich in zwei zueinander parallelen Ebenen entweder auf zwei parallelen Geraden oder um übereinanderliegende Drehpunkte bewegen. Dabei sind an einem Objektiv eine Maßverkörperung und am anderen Objekt eine Abtastscheibe mit einem Abtastraster befestigt. Bei der Messung von Winkeln ist die Maßverkörperung eine Kodierscheibe, die so mit dem drehbar gelagerten Objekt verbunden ist, daß ihr Mittelpunkt mit dem Drehpunkt zusammenverbunden ist, ist dem ersten Objekt fluchtend nachgeordnet. Hinter der Kodierscheibe befindet sich eine Lichtquelle. Je nach der Stellung der Kodierscheibe zur Abastscheibe tritt Licht durch die Kodierscheibe und die Abtastscheibe, welches auf die lichtempfindlichen Flächen der nachgeordneten Fotoempfänger trifft, die dann wiederum elektronische Signale zur Verarbeitung und digitalen Informationsausgabe an eine Elektronikeinheit weiterleiten. Analog ist der Prinzipaufbau eines entsprechenden Längenmeßsystems.

In Figur 1 ist ein dual-binärkodierter Maßstab dargestellt. In jeder Spur ist eine Dualstelle kodiert. Je mehr Spuren der Maßstab trägt, um so mehr einzelne Zustände (Zahlen) sind abtastbar. Dadurch kann entweder der Meßbereich erweitert werden, bei gleichbleibender Breite der lichtdurchlässigen Felder 1 und lichtundurchlässigen Felder 2 oder das Auflösungsvermögen wird erhöht, bei gleichbleibendem Meßbereich und Verringerung der Feldbreite.

Die Breite der lichtdurchlässigen Felder 1 und lichtundurchlässigen Felder 2 kann im Gegensatz zum Stand der Technik soweit minimiert werden, wie sie technologisch noch realisierbar ist. Dadurch ist ein sehr großes Auflösungsvermögen erreichbar. In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Abtastraster passend zu dem in Figur 1 dargestellten dual-binärkodierten Maßstab aufgezeigt.

Die erste Spur 3 ist identisch mit der Spur des dual-binärkodierten Maßstabes, in welcher die Dualstelle 2° kodiert ist. Die Abtastlinie 4, sie begrenzt gemeinsam mit der Nullinie 5 des dual-binärkodierten Maßstabes den zu messenden Weg bzw. schließt den zu messenden Winkel ein, verläuft durch die Mitte eines lichtdurchlässigen Feldes 1 der ersten Spur 3. Alle nachfolgenden Spuren sind entsprechend den abzutastenden Spuren des dual-binärkodierten Maßstabes doppelt so hoch wie die erste Spur 3. In diesen Spuren befinden sich in der oberen und unteren Hälfte jeweils eine Reihe von im Wechsel angeordneten lichtdurchlässigen Feldern 1 und lichtundurchlässigen Feldern 2. Die Länge der Reihen entspricht mindestens der Länge der lichtempfindlichen Fläche der nachgeordneten Fotoempfänger. Dabei haben die lichtdurchlässigen Felder 1 der zweiten Spur 6 die gleiche Breite wie die lichtdurchlässigen Felder 1 der ersten Spur 3. Die lichtdurchlässigen Felder 1 aller nachfolgenden Spuren sind immer doppelt so breit wie die der jeweiligen Vorgängerspur. Die zwischen den einzelnen lichtdurchlässigen Feldern 1 befindlichen lichtundurchlässigen Feldern 2 sind jeweils dreimal so breit wie die jeweiligen lichtdurchlässigen Felder.

Dabei grenzt rechts an die Abtastlinie4 in der oberen Spurhälfte ein lichtdurchlässiges Feld 1 und links an die Abtastlinie 4 jeweils in der unteren Spurhälfte ein lichtdurchlässiges Feld 1 an.

Zum Abtasten der ersten Spur 3 ist ein Fotoerrp^änger hinter der Abtastlinie 4 angeordnet. Zum Abtasten aller anderen Spuren stehen jeweils zwei Fotoempfänger zur Verfügung, wobei sich jeweils einer hinter der Abtastlinie 4 in der oberen Spurhälfte und der andere in der unteren Spurhälfte befindet. Entsprechend der V-Abtastung, die als bekannte Sicherheitsabtastung zur Anwendung kommt, wird jeweils einer der beiden Fotoempfänger angesteuert. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hier jedoch die V-Abtastung nicht durch die Anordnung der Fotoempfänger realisiert, sondern durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Abtastrasters. Dadurch entfällt die notwendige Justage für die Fotoempfänger, die ansonsten innerhalb eines engen Toleranzbereiches in V-Form angeordnet werden müssen.

Überlagern sich der dual-binärkodierte Maßstab (siehe Fig. 1) und das Abtastraster (siehe Fig. 2) so, daß in der ersten Spur 3 kein Licht auf den nachgeordneten Fotoempfänger trifft, so ist der Wert für die Dualstelle 2° gleich „Null". In diesem Fall wird zum Abtasten der zweiten Spur der der oberen Spurhälfte nachgeordnete Fotoempfänger angesteuert. Er liefert nun den Wert für die Dualstelle 2¹. Ist dieser ebenfalls gleich „Null", wird zum Abtasten der nachfolgenden Spur wiederum der der oberen Spurhälfte nachgeordnete Fotoempfänger angesteuert u.s.w.

Ist der Wert gleich „Eins", d.h., auf den Fotoempfänger trifft ausreichend Licht, so wird jeweils der Fotoempfänger der nachgeordneten Spur angesteuert, welcher sich in der unteren Spurhälfte befindet.

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Man kann das leicht nachvollziehen, bringt man gedanklich Figur 2 mit Figur 1 zur Deckung. Im Beispiel wird auf der Abtastlinie die Dualzahl „11010", welche der Dezimalzahl „11" entspricht, abgelesen. Es zeigt sich, daß jeweils die Reihe einer Spur abgelesen wird, in der die lichtdurchlässigen Felder 1 des Abtastrasters entweder völlig ausgeleuchtet oder völlig abgedunkelt sind. Es gibt für den nachgeordneten Fotoempfänger somit nur 2 Zustände zu registrieren, die verarbeitet den Wert „Null" bzw. „Eins" liefern. Dadurch werden Fehlentscheidungen in den Dualstellen „2¹" bis „2ⁿ" ausgeschlossen und der digitale Fehler der Dualzahl, welche einem Weg- bzw. Winkelmaß entspricht, beschränkt sich auf die Breite eines lichtdurchlässigen Feldes 1 der ersten Spur 4, welche mit der Spur des dual-binärkodierten Maßstabes identisch ist, die die Dualstelle „2°" verschlüsselt. Bei der Auswahl der zu verwendeten Fotoempfänger sind Länge und Breite der lichtempfindlichen Fläche sowie seine Empfindlichkeit zu beachten. Die Breite der lichtempfindlichen Fläche der nachgeordneten Fotoempänger muß kleiner/gleich der Höhe der ersten Spur 3 sein, welche der halben Spurhöhe aller nachgeordneten Spuren entspricht. Die Länge der lichtempfindlichen Flächen ist so zu wählen, daß bei vorgegebener Lichtempfindlichkeit so viele lichtdurchlässigen Felder 1 zur Abbildung kommen, daß die durch sie hindurchtretende Lichtmenge ausreicht, um den Wert „Eins" zu erhalten. Für kleine Meßbereiche, wo die Länge der lichtempfindlichen Flächen größer/gleich dem Meßbereich ist, ist die Lichtmenge, die durch die lichtdurchlässigen Felder 1 der einzelnen Spuren treten kann, in allen Spurhälften gleich d. h., es steht die gleiche Lichtmenge zur Auswertung zur Verfügung, was bei der Auswahl der Fotoempfänger vorteilhaft ist.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Abtastrasters und die Anordnung der Fotoempfänger ist ein sehr hohes Auflösungsvermögen erreichbar ohne hohe Anforderungen an die Lagejustierung der Fotoempfänger.

Claims

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Erf i ndu ngsanspruch:

Abtastraster für einen dual-binärkodierten Maßstab für Längen- und Winkelmeßsysteme mit der gleichen Anzahl Spuren und jeweils gleicher Spurhöhe wie der dual-binärkodierte Maßstab Spuren zur Verschlüsselung der einzelnen Dualstellen beinhaltet, bestehend aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Feldern, wobei in der ersten Spur ein lichtdurchlässiges Feld auf einer Abtastlinie angeordnet ist und sich in allen weiteren Spuren die lichtdurchlässigen Felder rechts und links der Abtastlinie befinden, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Spur des Abtastrasters mit der ersten Spur des dual-binärkodierten Maßstabs identisch ist, daß alle weiteren Spuren aus einer oberen und unteren Spurhälfte bestehen, in denen die lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Felder im Wechsel angeordnet sind, wobei entlang der Abtastlinie angrenzend lichtdurchlässige Felder wechselseitig angeordnet sind, daß die Breite der lichtdurchlässigen Felder der zweiten Spur gleich der Breite der lichtdurchlässigen Felder der ersten Spur ist und in allen weiteren Spuren die lichtdurchlässigen Felder die doppelte Breite der lichtdurchlässigen Felder der jeweiligen Vorgängerspur aufweisen und daß in jeder der ersten Spur nachgeordneten Spuren die Breiten der lichtundurchlässigen Felder gleich der dreifachen Breite der sie beidseitig begrenzenden lichtdurchlässigen Felder entsprechen.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Abtastraster für einen dual-binärkodierten Maßstab zur Längen- und Winkelmessung eines sich auf einer Geraden bzw. um einen festen Drehpunkt bewegenden Objektes gegenüber einem ortsfesten oder einem sich mit dem Objekt gleich- oder gegensinnig bewegten Koordinatensystem. Sie ist insbesondere dort einsetzbar, wo ein besonders hohes Auflösungsvermögen erforderlich ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei digitalen Längen- und Winkelmeßsystemen, die auf der Abtastung einer Maßverkörperung basieren, unterscheidet man in relative (inkrementale) und absolut messende Systeme.

Bei den relativ messenden Systemen wird eine Strecke bzw. ein Kreis in gleichgroße Weg- bzw. Winkelinkremente zerlegt, welche durch eine entsprechende Einrichtung abgetastet werden. Jeder Teilstrich wird in einen elektrischen Impuls umgesetzt und in einem Zähler gezählt. Der jeweilige Zählerstand gibt ein numerisches Abbild des überstrichenen Weges bzw. Winkels. Nachteilig ist, daß sich die Weg- bzw. Winkelposition nur aus der Zusammensetzung der überstrichenen Teilwege bzw. -winkel ergibt, sofern die Zählung der Inkremente nicht immer von der als Nullstellung definierten Stellung beginnt. Durch die Kettenmaßildung summieren sich die Fehler der einzelnen Messungen.

In Anordnungen, in denen eine eindeutige Zuordnung des Winkels bzw. Weges zu einem Zahlenwert nötig ist, inkrementale Verfahren durch sehr schnelle Weg- bzw. Winkeländerungen unmöglich sind, oder z. B. Verdrehwinkel an rotierenden Teilen gemessen werden sollen, werden absolut messende Systeme eingesetzt. Der Maßstab trägt dabei eine binärkodierte Skale. Damit ist jede Position zu jeder Zeit eindeutig und wiederholbar festgelegt. Dafür steigt jedoch der Aufwand. Der Maßstab trägt nicht nur eine Spur wie bei den inkrementalen Meßverfahren, sondern viele (entsprechend den verschlüsselten Binärstellen). Außerdem werden mehrere Abtastelemente benötigt (pro Spur mindestens einer) und die nachgeordnete elektronische Einheit muß nicht mehr nur Impulse zählen, sondern ganze Zahlen verarbeiten.

Ein typischer Vertreter der absolut messenden digitalen Meßgeräte ist das „Weg- und Winkelmeßsystem 10⁶" des Kombinates VEB Carl-Zeiss JENA. Es hat drei dezimal-binärkodierte Scheiben, die durch entsprechende Getriebe (10:1 und 100:1) verbunden sind. Auf der ersten Scheibe sind die Dekaden 10°, 10¹ und 10², auf der zweiten Scheibe ist die Dekade 10³ und auf der dritten Scheibe sind die Dekaden 10⁴ und 10⁵ kodiert. Dadurch wird ein sehr großer Meßbereich ermöglicht. Liegt das Hauptinteresse im hohen Auflösungsvermögen, so sind entsprechend viele Spuren auf einer Scheibe zu kodieren, wobei die einzelnen Winkelinkremente der feinsten Spur in ihrer minimalen Breite durch die Empfindlichkeit der Abtastelemente beschränkt sind. Die der Kodierscheibe nachgeordnete Abtastscheibe ist so aufgebaut, daß sich auf Spuren, die in ihrer Anzahl und Spurhöhe den Spuren der Kodescheibe entsprechen, lichtdurchlässige Felder mit der Breite eines Winkelinkrements der feinsten Spur und lichtundurchlässige Felder befinden. Pro Spur befindet sich mindestens ein lichtdurchlässiges Feld. Die durch ein lichtdurchlässiges Feld hindurchtretende Lichtmenge muß demnach ausreichend sein, damit der nachgeordnete Fotoempfänger anspricht. Somit ist durch die Empfindlichkeit des Fotoempfängers die minimale Breite des kleinsten Winkelinkrementes und somit das Auflösungsvermögen begrenzt.

Bedingt durch Teilungsfehler des Maßstabes und Kennwerttoleranzen der Abtastelemente ergeben sich Ableseungenauigkeiten, wenn die Abtastelemente der einzelnen Spuren auf der Abtastlinie angeordnet sind. Insbesondere an den Stellen, an denen sich auf der Kodierscheibe Übergänge zwischen lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Feldern befinden, können falsche Zahlenwerte abgelesen werden. Deshalb verwendet man bei dual-b'närkodierten Maßstäben vorzugsweise das Prinzip der V-Abtastung. Hierbei wird die feinste Spur, welche die Dualstelle „2°" verschlüsselt, mit einem Abtastelement direkt auf der Abtastlinie abgetastet. Allen weiteren Spuren sind jeweils
2 Abtastelemente zugeordnet, welche auf der Spur rechts und links der Abtastlinie angeordnet sind.

Dabei ist ihr Abstand jeweils ~ , wobei a_n die Breite der lichtdurchlässigen bzw. lichtundurchlässigen Felder der abzutastenden Spur „n" der Kodierscheibe ist. Je nachdem, ob ein Abtastelement den Wert „0" oder „1" abliest, wird in der nachfolgenden Spur das Abtastelement angesteuert, welches in Richtung steigender oder fallender Dualzahlen angeordnet ist. Dadurch entspricht der Ablesefehler nur nach der Breite eines lichtdurchlässigen Feldes der feinsten Spur. Da das Mindestmaß dieser Breite durch die Empfindlichkeit des Abastelementes vorgegeben ist, ist für hohe Genauigkeitsforderungen das Auflösungsvermögen zu gering.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei digitalen Weg- und Winkelmeßsystemen, basierend auf der Abtastung eines dual-binärkodierten Maßstabes durch Fotoempfänger nach dem Prinzip der V-Abtastung, die Meßgenauigkeit zu erhöhen und den Justageaufwand für die Fotoempfänger zu minimieren.