DD262481A1

DD262481A1 - SCANNING ARRANGEMENT FOR DETECTING ABSOLUTE POSITION MEASUREMENTS ON A GRID SCALE

Info

Publication number: DD262481A1
Application number: DD30284587A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Schleicher
Original assignee: Werkzeugmaschinenbau Fz
Priority date: 1987-05-18
Filing date: 1987-05-18
Publication date: 1988-11-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abtastanordnung mit einem Messwertwandler, der ein Phasenwertsignal ausgibt und in einer Basiszeile n eine Rasterspur abtastende Sensorelemente enthaelt. Zur Abtastung werden die Sensorelemente der Basiszeile periodisch umlaufend aktiviert. Verwendung findet eine Anordnung der Sensorelemente nach Art einer Matrix, wodurch die Anwendung der Erfindung bei einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Basiszeilen gegeben ist. Jede der k Basiszeilen ist gegenueber ihrer in der Rasterspur zurueckliegend benachbarten Basiszeile um den k-ten Teil einer Teilungsgroesse der Basiszeile in Richtung der Basiszeile versetzt angeordnet. Zur Bildung des periodischen Phasenwertsignals stellt die Anordnung kn Abtastwerte bereit. FigurThe invention relates to a scanning arrangement with a transducer which outputs a phase value signal and in a base line n contains a raster scan scanning sensor elements. For sampling, the sensor elements of the base line are periodically activated circumferentially. Use is made of an arrangement of the sensor elements in the manner of a matrix, whereby the application of the invention is given at a plurality of juxtaposed base lines. Each of the k base lines is offset from the baseline line adjacent to the raster track by the k th part of a division of the base line in the direction of the base line. To form the periodic phase value signal, the array provides n samples. figure

Description

Diese Lösung ermöglicht es, daß aus der Abtastung aller Sensorelemente in einer Abtastumlaufperiode eine um die Anzahl der nebeneinander angeordneten Basiszeilen vervielfachte Anzahl unterschieldicher Werte für das periodische Phasenwertsignal erfaßt werden, so daß die Signalwelle des gemittelten Phasenwertsignals in ihrem Oberwellengehalt stark reduziert ist. Hierdurch liefert eine erhöhte elektrische Interpolation noch stabile Positionsmeßwerte ohne Verlust an Dynamik, womit eine sehr hohe Meßauflösung auch dann erreicht wird, wenn nur relativ geringe Genauigkeitsanforderungen vom Rastermaßstab, von den Sensorelementen und von den Basiszeilen erfüllt werden. Die geringe Meßträgheit erlaubt den Einsatz in hochdynamischen Positioniereinrichtungen. Die hohe Meßauflösung reduziert den Verschmutzungseinfluß infolge der Verwendbarkeit vergrößerter Maßstabsteilungsperioden.This solution makes it possible to detect, from the sampling of all sensor elements in a scanning period, a multiplicity by the number of juxtaposed base lines multiplied uncertainty values for the periodic phase signal, so that the signal wave of the averaged phase value signal is greatly reduced in their harmonic content. As a result, increased electrical interpolation still provides stable position measurements without loss of dynamics, whereby a very high measurement resolution is achieved even if only relatively low accuracy requirements are met by the grid scale, the sensor elements and the base lines. The low measuring inertia allows use in highly dynamic positioning devices. The high measurement resolution reduces the effect of contamination due to the utility of increased scale-division periods.

embodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figur zeigt einen Ausschnitt der Paarung eines Rastermaßstabs und mehrerer Basiszeilen.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The figure shows a section of the pairing of a grid scale and several base lines.

Ein Rastermaßstab 1 ist mit Rasterstrichen versehen. Von Rasterstrich zu Rasterstrich erstreckt sich eine Teilungsperiode 2, die im Fall einer Durchlichtabtastung aus einem lichtundurchlässigen Steg 3 und aus einem lichtdurchlässigen Schlitz 4 besteht. Die Aneinanderreihung der Rasterstriche über mehrere Teilungsperioden 2 hinweg ergibt eine Rasterspur. Rasterstriche und Rasterspur verlaufen rechtwinklig zueinander.A grid scale 1 is provided with grid lines. From raster scan to raster scan, there extends a graduation period 2 which, in the case of transmitted light scanning, consists of an opaque web 3 and of a light-transmitting slit 4. The juxtaposition of the raster lines over several graduation periods 2 results in a raster track. Grid lines and raster tracks run at right angles to each other.

Ein Meßwertwandler ist Bestandteil einer Abtastanordnung zum Erfassen absoluter Positionsmeßwerte am Rastermaßstab 1.A transducer is part of a scanning arrangement for detecting absolute Positionsmeßwerte the grid scale. 1

Er besteht aus k = 4 Basiszeilen 5.1 bis 5.4. Jede dieser vier Basiszeilen 5 setzt sich aus η = 6 den Mittenabstand von einem dieser Sensorelemente zum benachbarten Sensorelement in derselben Basiszeile 5 kennzeichnet. Die vier gleichen Basiszeilen 5 sind bezüglich der in einer abzutastenden parallelen Ebene befindlichen Rasterstriche schräg sowie zueinander parallel angeordnet, wobei sie die Rasterspurbreite nicht überschreiten. In Richtung der Rasterspur erstreckt sich eine Basiszeile 5 über eine volle Teilungsperiode 2. Die Breite der Basiszeile 5 ist höchstens gleich einer halben Teilungsperiode 2.It consists of k = 4 base lines 5.1 to 5.4. Each of these four base lines 5 is made up of η = 6 marks the center distance of one of these sensor elements to the adjacent sensor element in the same base line 5. The four same base lines 5 are arranged obliquely and parallel to one another with respect to the raster lines located in a parallel plane to be scanned, wherein they do not exceed the raster track width. In the direction of the raster track, a base line 5 extends over a full graduation period 2. The width of the base line 5 is at most equal to half a graduation period 2.

Jede Basiszeile 5 erfaßt absolute Positionsmeßwerte im Bereich jeweils einer Teilungsperiode 2. Dabei ist die relative Lage zwischen Basiszeile 5 und Teilungsperiode 2 verschieden. Dadurch wird verhindert, daß an zwei äquivalenten Rasterstrichen gleiche Positionsmeßwerte erfaßt und über einen Mittelungsvorgang zur Bildung des Phasenwertsignals herangezogen werden.Each base line 5 detects absolute position measurements in the range of one graduation period 2. The relative position between base line 5 and graduation period 2 is different. This prevents the same position measurement values from being detected on two equivalent grid lines and being used to form the phase value signal via an averaging process.

Jede Basiszeile 5 weist gegenüber ihrer in der Rasterspur zurückliegend benachbarten Basiszeile 5 einen Versatz 7 in Richtung der Basiszeile 5 auf. Dieser Versatz 7 ist gleich einer Länge 8 entsprechend dem k-ten Teil der Teilungsgröße 6 und damit entsprechend dem (k · n)-ten Teil der Länge der Basiszeile 5.Each base line 5 has an offset 7 in the direction of the base line 5 as compared to its base line 5 lying in the raster track. This offset 7 is equal to a length 8 corresponding to the k-th part of the division size 6 and thus corresponding to the (k * n) th part of the length of the base line 5.

Zu jeder Basiszeile 5 gehört ein Anfangssensorelement 9, so zur Basiszeile 5.1 ein Anfangssensorlement 9.1 und zur Basiszeile 5.4 ein Anfangssensorelement 9.4.For each base line 5 includes an initial sensor element 9, so the base line 5.1 an initial sensor element 9.1 and the base line 5.4 an initial sensor element 9.4.

Die Sensorelemente jeder Basiszeile 5 werden einer periodisch umlaufenden Abtastaktivierung unterzogen. Dabei ist eine in der Basiszeile 5 umlaufende Gruppe einander benachbarter aktivierter Sensorelemente aus wenigstens einem Sensorelement und höchstens ⁿh Sensorelementen zusammengesetzt sowie über höchstens eine halbe Teilungsperiode 2 erstreckt.The sensor elements of each base line 5 are subjected to a periodically circulating scan activation. In this case, a group circulating in the base line 5 of adjacent activated sensor elements is composed of at least one sensor element and at most ⁿ h sensor elements and extends over at most one half graduation period 2.

Besteht die umlaufende Gruppe aus beispielsweise einem Sensorelement, so werden während einer Umlaufperiode T die sechs Sensorelemente der Basiszeile 5.1 nacheinander für die Abtastung aktiviert, beginnend beim Anfangssensorelement 9.1. Die jeweils sechs nacheinander erfaßten Abtastwerte liefern das periodische Phasenwertsignal einer Basiszeile 5. Das gemittelte Phasenwertsignal entsteht bei vereinfachter Betrachtung aus den vier Phasenwertsignalen der vier beteiligten Basiszeilen 5.1 bisIf the circulating group consists, for example, of a sensor element, the six sensor elements of the base line 5.1 are activated one after the other for the scanning during a circulation period T, starting at the initial sensor element 9.1. The six consecutively detected samples provide the periodic phase value signal of a base line 5. The averaged phase value signal arises from a simplified view of the four phase value signals of the four base lines involved 5.1 to

Die unmittelbare Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung ist daran gebunden, daß die Umlaufperiode T in k · η gleiche Zeitschritte unterteilt ist. Beim ersten Zeitschritt beginnt die Aktivierung des Anfangssensorelements 9.1, beim zweiten Zeitschritt die des Anfangssensorelements 9.2 und so weiter. Die Entaktivierung des ersten Sensorelements in der Basiszeile 5.1 und die Aktivierung des zweiten Sensorelements in der Basiszeile 5.1 erfoglt somit erst im fünften Zeitschritt. Für die aufgezeigte Aktivierung können die Basiszeilen 5.1 bis 5.4 auch in beliebig anderer Reihenfolge geordnet sein.The immediate effect of the solution according to the invention is linked to the fact that the circulation period T is subdivided into k.eta. Equal time steps. In the first time step, the activation of the initial sensor element 9.1 begins, in the second time step that of the initial sensor element 9.2 and so on. The deactivation of the first sensor element in the base line 5.1 and the activation of the second sensor element in the base line 5.1 thus takes place only in the fifth time step. For the indicated activation, the base lines 5.1 to 5.4 can also be arranged in any other order.

Das Anfangssensorelement 9.1 bleibt somit für die Zeitdauer T/n im aktivierten Zustand. Während dieser Zeitdauer T/n werden die Anfangssensorelemente 9.2 bis 9.4 nacheinander mit jeweils einem Zeitversatz von 1 /k der Zeitdauer T/n aktiviert. Dem längenmäßigen Versatz 7 von der Größe des k-ten Teils einer Teilungsgröße 6 wird dadurch ein äquivalenter Zeitversatz zugeordnet. Auf diese Weise werden k · η diskrete Abtastwerte für das letztendlich interessierende gemittelte periodische Phasenwertsignal ermittelt, die aus k Teilungsperioden 2 stammen und innerhalb jeder Teilungsperiode 2 aus nur η verschiedenen Abtastwerten herkommen. In Verbindung mit dem beschriebenen Abtastverlauf, der anstelle des Anfangssensorelements 9.1 auf ein beliebig anderes Sensorelement bezogen werden kann, ermöglicht es die Abtastanordnung, daß auch bei großen Teilungsperioden 2 und/oder bei Sensorelementen auch größerer Abmessungen sowie bei relativ großen Abmessungstoleranzen eine hohe Meßauflösung realisiert wird.The initial sensor element 9.1 thus remains in the activated state for the time T / n. During this period of time T / n, the initial sensor elements 9.2 to 9.4 are activated one after the other with a time offset of 1 / k of the time duration T / n. The lengthwise offset 7 of the size of the k-th part of a division size 6 is thereby assigned an equivalent time offset. In this way, k · η discrete samples are determined for the finally interested averaged periodic phase value signal, which originate from k graduation periods 2 and originate from only η different samples within each graduation period 2. In conjunction with the described scanning, which can be related to any other sensor element instead of the initial sensor element 9.1, the scanning allows that even at large graduation periods 2 and / or sensor elements of larger dimensions and relatively large dimensional tolerances high Meßauflösung is realized ,

Diese vorteilhaften Auswirkungen treten in Abhängigkeit von der Anzahl der Sensorelemente und der Basiszeilen 5 sowie der maßgeblichen Abmessungen mehr oder weniger ein. Werden beispielsweise jeweils zehn Fototransitoren von 2 mm Durchmesser pro Basiszeile 5 und zwanzig Basizeilen 5.1 bis 5.20 in der Abtastanordnung eingesetzt, so werden zweihundert Zeitschritte je Umlaufperiode T ausgeführt. Bei einer Größe von 4mm der Teilungsperiode 2 des Rastermaßstabs 1 wird damit bereits aus dem noch nichtelektrisch interpolierten Phasenwertsignal ein Meßraster von 0,02 mm erzeugt.These advantageous effects occur more or less depending on the number of sensor elements and the base lines 5 and the relevant dimensions. If, for example, ten phototransitors each of 2 mm diameter per base line 5 and twenty base lines 5.1 to 5.20 are used in the scanning arrangement, then two hundred time steps per cycle period T are executed. With a size of 4 mm of the graduation period 2 of the grid scale 1, a measurement grid of 0.02 mm is thus already generated from the still non-electrically interpolated phase value signal.

Bei einem Interpolationsfaktor von 40, was bei phasenmodulierenden Verfahren nicht einmal sehr hoch ist, sind dann bei der genannten Größe von 4mm Teilungsperiode 2 interpolierte Meßraster in der Größe von 0,0005 mm unkompliziert realisierbar.With an interpolation factor of 40, which is not even very high in the case of phase-modulating methods, 2 interpolated measuring grids in the size of 0.0005 mm can then be easily realized with the mentioned size of 4 mm graduation period.

Claims

Scanning arrangement for acquiring absolute position measurements on a grid scale having raster lines running perpendicular to the raster track, with a transducer outputting a phase value signal and containing the raster scanning sensor elements in a base line η, the sensor elements of the base line being subjected to a periodic scan activation, in which a group of adjacent activated sensor elements circulating in the base line is composed of at least one sensor element and at most ⁿ lz sensor elements and is extended over at most half a graduation period of the raster track, using an arrangement of the sensor elements in the manner of a matrix, characterized in that k is the same and each base line (5) opposite its base line (5) lying in the raster track by the kth part of a division size (6) of the base line (5) in the direction of Base line (5) is arranged offset.

For this 1 page drawing

Field of application of the invention

The invention relates to the acquisition of absolute position measurements on a grid scale by means of a transducer which outputs a phase value signal by means of a scan activation periodically circulating in the η sensor elements of a base line. The application of the invention is possible with a plurality of juxtaposed base lines.

Characteristic of the known state of the art

The GDR patent application with the file number WP G 01 B / 291768.7 refers to the arrangement of a single sensor line relative to the raster track of a grid scale whose raster lines are aligned perpendicular to the raster track. The device detects absolute position readings within a pitch period of the raster track by a transducer. It outputs a phase value signal and contains in a base line η sensor elements with which the raster track is scanned. The scanning is performed periodically circumferentially, wherein a circulating in the base line group of adjacent activated sensor elements of at least one sensor element and at most

The base line expands in the direction of the raster track over the single or multiple number of full graduation periods according to its specific embodiment This limit depends on how small the sensor elements are producible, and the lower the slope of the base line relative to the raster line direction and the longer the base line is made, the less pronounced the raster track width The practically realized tilt angle is therefore a compromise involving parameters of both the grid scale and the sensor elements and the base line. that is, any sensor elements of larger dimensions and for largely reduced requirements on the pitch accuracy of the grid scale no realization possibility.

From DD 222393 it can be seen that matrix arrangements of counter-rasters in a scanning device for precision grid systems yield positive effects. Assuming that these unspecified positive effects are due to the multiple arrangement of scanning elements in rows and columns with an enlarged scanning, then one can expect that these effects occur even with a plurality of juxtaposed and described above the same base lines.

Object of the invention

As an object of the invention, an improvement of the ratio of Meßauflösung to effort to be achieved.

Explanation of the essence of the invention

The invention has the object of providing a scanning device for detecting absolute Positionsmeßwerte on a grid scale according to the preamble of the claim form so that in one cycle substantially more than η different position measurements can be sampled.

According to the invention, this object is achieved in that at k same and juxtaposed base lines each base line is offset relative to its lying in the raster track lying adjacent base line by the k th part of a division size of the base line in the direction of Basiszeiie.