DD284753A5 - Inkrementales laengen- und winkelmesssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein inkrementales Laengen- und Winkelmeszsystem zur Messung der relativen Bewegung zweier Objekte, welches einen Maszstabskoerper 1 mit einer Meszteilung 2, einer Referenzteilung 3 und einer weiteren Teilung 4, die grob geteilt sind, besitzt. Bei UEberschreitung der fuer die Meszteilung 2 zulaessigen Verfahrgeschwindigkeit wird in einer Auswerteeinrichtung auf das Zaehlen der durch die Abtastung der weiteren Teilung 4 gewonnenen Signale umgeschaltet. Beim Unterschreiten dieser zulaessigen Verfahrgeschwindigkeit werden die durch Abtastung der Meszteilung 2 gewonnenen Signale weiterverarbeitet. Fig. 1 und 2{Meszsystem, inkremental; Laenge; Winkel; Meszteilung; weitere Teilung; Referenzteilung; Signale; Grobzaehlung; Feinzaehlung; Abtastelement; Signalverarbeitungseinheit; Auswerteeinrichtung}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein inkrementales Längen- und Winkelmeßsystem, insbesondere ein fotoelektrisches Meßsystem für Werkzeugmaschinen und Koordinatenme'igeräte.

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Die Meßgeschwindigkeit eines Längen- und Winkelmeßsystems wird durch die Grenzfrequenz der Sensoren bzw. durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Auswerteelektronik begrenzt. Eine Erhöhung der Meßgeschwindigkeit setzt in der Regel einen Verlust an Auflösung voraus.

Aus der DE-PS 3509102 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Signale bei Meßeinrichtungen zum Messen der Lage zweier relativzueinander beweglicher Objekte bekannt. Hierbei werden insbesondere Referenzimpulse erzeugt. Die Vorrichtung umfaßt mindestens zwei voneinander beabstandete Referenzmarken an einem der Objekte, die durch beabstandete Abtastelemente am anderen Objekt abtastbar sind. Der gegenseitige Abstand der Abtastelemente unterscheidet sich vom gegenseitigen Abstand der Referenzmarken, so daß sich die so gewonnenen Referenzsignale überlappen. Mittels einer Auswerteeinrichtung wird aus diesen Referenzsignalen ein Referenzimpuls erzeugt. Der Nachteil einer gewissen Unscharfe der Referenzsignale wird durch das Zusammenwirken mit einer zweiten Abtasteinrichtung aufgehoben. Es werden zwei geringfügig gegeneinander phnsenverschobene Signale erzeugt, an deren einander zugewandten Flanken ein schmales Rechtecksignal zur Referenz abgeleitet wird. Eine Verwendung dieses Referenzimpulses zur Zählung und damit zur Weiterführung der Messung ist nicht vorgesehen. Außerdem ist diese Vorrichtung wegen der zweiten Abtasteinrichtung aufwendig.

Bei der in der DE-OS 3144334 beschriebenen Wegmeßeinrichtung mit einer Maßverkörperung und mit einer Abtasteinrichtung besitzt die Maßverkörperung eine Skalenspur als Meßteilung und mindestens eine weitere Skalenspur mit Referenzmarken, wobei die Abtasteinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist. Dabei ist jeder der Referenzmarken seriell mindestens eine Codeinformation zugeordnet. Die Abtastung der Codeinformationen erfolgt in Reihe mit der Abtastung der Referenzmarken. Auch bei dieser Wegmeßeinrichtung werden die durch die Referenzmarkenabtastung gewonnenen Impulse nicht zur Zählung und damit zur Wegmessung verwendet.

Die inkremental Längen- und Winkelmeßeinrichtung gemäß der DE-OS 3039483 besitzt eine Einrichtung zur Auswahl von mit Identifikationsmerkmalen versehenen Referenzmarken. Es sind neben der Meßteilung noch zwei, Referunzmarken tragende Spuren auf dem Maßstabskörper angeordnet, die mit dem Meßkopf abgetastet werden. Einer jeden Referenzmarke ist also auf einer zusätzlichen Spur eine Identifikationsmarke zugeordnet. Eine Zählung dieser Referenzmarken und eine Benutzung zur Messung von Verschiebungen ist nicht beschrieben und vorgesehen.

Ee ist Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Effektivität der Meßsysteme durch eine hohe Meßgeschwindigkeit zu erhöhen.

Darlegung de· Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein inkremental Längen- und Winkelmeßsystem zu schaffen, welches eine hohe Meßgeschwindigkeit ermöglicht und bei dem zu jeder Zeit Informationen zumindest über die Grobposition des zu messenden Teiles ausgegeben werden können und die Feinposition sofort nach Wiedererlangung der Meß- oder 3earbeitungsgeschwindigkeit wieder ansteht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem inkrementalen Längen- und Winkelmeßsystem zur Messung der relativen Bewegung zweier Objekte, umfassend einen, eine Maßverkörperung tragenden Maßstabkörper und eine die Maßverkörperung zur Signalgewinnung abtastende Abtasteinrichtung, welche mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, wobei der Maßstabskörper eine feingetoilte Meßteilung und eine Referenzmarken umfassende Referenzteilung besitzt, Hie von zugeordneten Abtastelementen des Abtastkopfes der Abtasteinrichtung abtastbar sind, wobei die Abtastelemente für die Meßteilung mit einer ersten signalverarbeitenden Einheit der Auswerteeinrichtung verbunden sind, dadurch gelöst, daß auf dem Maßstabskörper mindestens eine weitere Teilung vorgesehen Ist, welche eine Rasterkonstante besitzt, die etwa dem durchschnittlichen Abstand der Referenzmarken der Referenzteilung entspricht, daß gesonderte Abtastelemente für die weitere Teilung im Meßkopf der Abtasteinrichtung vorgesehen sind, die mit einer zweiten signalverarbeitenden Einheit der Auswerteeinrichtung verbunden sind, daß die Auswerteeinrichtung eine, eine Meßwertverarbeitungseinheit steuernde Steuereinheit umfaßt, die eingangsseitig mit den Abtastelementen der Meßteilung und für die weitere Teilung und ausgangsseitig mit der Meßwertverarbeitungseinheit verbunden ist, und welche aus den Signalen der die Meßteilung abtastenden Antastelemente Verfahrrichtung und Verfahrgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung aus den Signalen der Abtastelemente der weiteren Teilung zugeordnete Meßschrittsignale ermittelt, und daß die Meßwertverarbeitungseinheit von der Steuereinheit in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit derart aussteuerbar ist, daß beim Überschreiten einer bestimmten Verfahrgeschwindigkeit die zweite signalverarbeitende Einheit und beim Unterschreiten einer bestimmten Verfahrgeschwindigkeit die erste signalverarbeitende Einheit die Zählung der Meßsignale übernimmt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die weitere Teilung auf der Refereprrr.ur.'^nsour des Maßstabkörpers angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Längen- und Winkelmeßsystem ermöglicht zuverlässige Messungen sowohl bei kleinen als auch bei großen Verfahrgeschwindigkeiten der bewegten Objekte, wie z. B. Schlitten von Meßgeräten und Werkzeugmaschinen. Damit wird der Entwicklung moderner Maschinen und Geräte Rechnung getragen. Die Erfindung ermöglicht, unter Benutzung bewährter Bauformen und Bauelemente hohe und höchste Verfahrgeschwindigkeiten anzuwenden ι nd bereits erreichte Leistungsparameter, wie Auflösung und Genauigkeit, zu übernehmen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: die Anordnung der einzelnen Teilungen auf dem Maßstabskörper,

Fig. 2: zugeordnete Abtastelemente und die Auswerteeinrichtung,

Fig. 3: eine Teilungs- und Abtastelementeanordnung und

Fig.4: eine weitere Teilungs- und Abtastelementeanordnung.

Das inkremental Längen- und Winke'meßsystem besitzt einen Maßstabskörper 1 mit drei Zählspuran, auf denen eine Meßteilung 2 mit einer kleinen Rasterkonstanten, eine Referenzmerken umfassende Referenzteilung 3 und mindestens eine weitere Teilung 4 mit einer Rasterkonstanten, die etwa dem durchschnittlichen Abstand der Referenzmarken der Referenzteilung 3 entspricht (Fig. 1). Diese Teilungen werden in bekannter Weise durch Abtastelemente des Abtastkopfes der Abtasteinrichtung des Meßsystems abgetastet. So wird die Meßteilung 2 durch Abtastelemente 5, z. B. eines Empfängerarrays, die Referenzteilung 3 durch Abtnstelemente 6 und die weitere Teilung 4 durch Abtastelemente 7 (Fig. 2) abgetastet. Die Abtastelemente 5 für die Meßteilung 2 sind mit einer ersten signalverarbeitenden Einheit 9 und die Abtastelemente 7 der weiteren Teilung 4 sind mit einer zweiten signalverarbeitenden Einheit 10 verbunden, die in einer Auswerteeinrichtung 8, die auch eine Meßwertverarbeitungseinheit 11 umfaßt, vereinigt sind. Diese Auswerteeinrichtung 8 umfaßt ferner eine Steuereinheit 12, die eingangsseitig mit den Abtastelementen 5 der Meßteilung 2 und mit den Abtastelementen 7 der weiteren Teilung 4 und aucgangsseitig mit der Meßwerteverarbeitungse nheit 11 verbunden ist.

Die Meßteilung 2 besitzt eine kleine Rasterkonstr.ite und damit eine hohe Auflösung. Die Referenzmarken der Referenzteilung 3 sind in bekannter Weise so ausgeführt, daß bei ihrem Überfahren durch die Abtastelemente 6 aus dem erzeugten Signal ein Impuls von der Breite eines Digitalschrittes der Meßteilung 2 erzeugt wird. Der Abstand der Referenzmarken der Referenzteilung 3 gilt in bekannter Weise als Kodierung und ist durch die Zählimpulse der Meßteilung 2 erfaßbar.

Bei Verfahrgeschwindigkeiten, die unterhalb der für die Meßteilung 2 zulässigen Werte liegen, erfolgen Signalverarbeitung und Positionserfassung durch die erste signalverarbeitende Einheit 9. Parallel dazu erfolgt die Verarbeitung und die Positionswertbildung der durch Abtastung der weiteren Teilung 4 durch die Abtastelemente 7 gewonnenen Signalen der zweiten signalverarbeitenden Einheit 10. Dabei ist der Meßschritt der von ^r'z. Teilung 4 abgeleiteten Positionswerte entsprechend dem Verhältnis der Teilungsperioden und der hier fehlenden Interpolatoren der Teilung 4 zur Meßteilung 2 größer als der Meßschritt der von der Meßteilung 2 abgeleiteten Positionswerte. Infolge der unterschiedlichen Meßschrittgrößen unterscheiden sich die Positionswerte der signalverarboitenden Einheiten 9 und 10, wobei deren Differenz jedoch unter einem Meßschritt der weiteren Teilung 4 bleibt.

Beim Überschreiten der für die Meßteilung 2 zulässigen Verfahrgeschwindigkeit bleibt der Positionswert der signalverarbeitenden Einheit 9 unverändert und die Bildung neuer Positionswerte erfolgt nur noch in der signalverarbeitenden Einheit 10. In einer Meßwertverarbeitungseinheit 11 wird aus den Positionswerten der signalverarbeitenden Einheiten 9 und 10 der Poeitic lswert gebildet, der das Ausgangssignal darstellt. Bis zum Erreichen der für die Meßteilung 2 zulässigen Verfahrgeschwindigkeit wird das Ausgangssignal von dieser Teilung abgeleitet. Nach Überschreiten der für die Meßteilung 2 zulässigen Verfahrgeschwindigkeit bildet die signalverarbeitende Einheit 10 ab der ersten von der Teilung 4 ausgelösten Veränderung die Positionswerte im Meßschritt von der Teilung 4. Wird die Verfahrgeschwindigkeit wieder unter die zulässige gesenkt, so leitet die erste von der Teilung 4 ausgelöste Veränderung des von der Einheit 10 gebildeten Positionswertes die Wiederverarbeitung der von der Einheit 9 abgebotenen Positionswerte durch die Meßwertverarbeitungseinheit 11 eK Sie enthalten die von der Referenzteilung 3 und der Meßteilung 2 verkörperte Information über die auf einen festen Ausgangspunkt bezogene Position In der Feinheit des Meßschrittes, wie er von der Meßteilung 2 vorgegeben ist. Die Steuerung der Meßwertverarbeitungseinheit 11 erfolgt durch die Steuereinheit 12, die aus den Signalen von 11 Verfahrrichtung und Verfahrgeschwindigkeit und aus den Signalen der Steuereinheit 12 die zugeordneten Meßschrittsignale ermittelt. Die Synchronisierung der Positionswertbildung der signalverarbeitenden Einheit 9 nach Unterschreiten der zulässigen Verfahrgeschwindigkeit wird durch ein Steuersignal von der Meßwertverarbeitungseinheit 11 zur signalverarbeitenden Einheit 9 bewirkt. Die Richtungsumschaltung der Einheit 10erfolgt durch ein Steuersignal, das von der Moßteilung 2 abgeleitet wird und über die Meßwertverarbeitungseinheit 11 zur Einheit 10 g ihrt wird.

Das erfindungsgemäße Meßsystem umfaßt also eine ergänzet ide grobe weitere Teilung 4 mit einem einfachen Abtastelement 7 und eine signalverarbeitende Einheit 10. Die Teilung 4, das Abtastelement 7 und die Einheit 10 sind zu den herkömmlichen Teilen des Meßsystems, Meßteilung 2, Referenzteilung 3, Abtastelemente 4 und β sowie signalverarbeitender Einheit 9 parallel angeordnet. Die Teilung 4 löst im Verhältnis zur Meßteilung 2 niederfrequente Signale aus. Daher arbeiten das Abtastelement 7 und die Einheit 10 auch dann noch, wenn das primäre Meßsystem wegen Überschreitung der Grenzfrequenz nicht mehr arbeitsfähig ist. Die Steuereinheit 12 leitet dann den Informationsfluß so, daß die vom Abtastelement 7 kommenden Weginformationen spätestens mit dem Abschalten des Abtastelementes 5 und der Einheit 9 an den Ausgang der Meßwertverarbeitungseinheit 11 gelangen.

Den Bezug der signalverarbeitenden Einheit 10 zum Nullpunkt sowie zum Vorzeichen stellt die Steuereinheit 12 durch Rückmeldung über die Meßwertverarbeitungseinheit 11 her. Dieser wird beim Start, bei Bewegungsumkehr und beim Wiedereinsetzen der Signalverarbeitung durch die Einheit 21 realisiert. In dieser Form ermöglicht das Meßsystem an Maschinen Eilverstellungen mit höchsten Geschwindigkeiten sowie erhöhte Betriebssicherheit, ohne von bewährten Gerätekonzeptionen und Leistungsparametern abgehen zu müssen.

In Fig. 3 ist ein Maßstabskörper 1 mit einer Meßteilung 2 einer Referenzteilung 13 und einer groben weiteren Teilung 14 dargestellt. Dabei sind die Zählmarken der Teilung 14 in der zwischen den Zählmarken der Referenzmarkenspur seriell angeordnet. Während die Referenzteilung 13 eine kurzperiodische Kontrolle des Meß- und Positioniervorganges und die Rückführung zu einem Bezugspunkt ermöglicht, sichert der den Abtastelementen 15 und 16 der groben Teilung 14 nachgeschaltete Kanal der Auswerteeinrichtung analog zu Fig. 2 die Funktion des Systems bei Grenzfrequenzüberschreitungen an den Abtastelementen 5 der Meßteilung 2 an.

Der in Fig. 4 dargestellte Maßstabskörper 1 eines inkrementalen Meßsystems besitzt neben einer Referenzmarken aufweisenden Referenzteilung 18 efne, mehrere Codespuren 19,20; 21; 22 aufweisende Zusatzcodierung, die dem Meßsystem quasiabsolute Eigenschaften verleiht. Dabei wird die Codespur 19 (Dual- oder Graycode) ergänzend zur Grobzählspur genutzt. Der der Codespur 19 zugeordnete Signalverarbeitungskanal der Auswerteeinrichtung ist parallel zum Verarbeitungskanal für die Meßteilung 24 geschaltet. Dieser Signalverarbeitungskanal übernimmt die Führung, wenn die Grenzfrequenz der die Meßteilung 24 und die Referenzteilung 18 abtastenden Abtastelemente 25 und 26 bzw. dor Folgeelektronik der Abtastelemente 19; 20; 21; 22 überschritten wird.

Claims (2)

1. Inkrementales Längen- und Winkelmeßsystem zur Messung der relativen Bewegung zweier Objekte, umfassend einen, eine Maßverkörperung tragenden Maßstabkörper und eine die Maßverkörperung zur Signalgewinnung abtastende Abtasteinrichtung, welche mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, wobei der Maßstabskörper eine feingeteilte Meßteilung und eine Referenzmarken umfassende Referenzteilung besitzt, die von zugeordneten Abtastelementen des Abtastkopfes der Abtasteinrichtung abtastbar sind, wobei die Abtastelemente für die Meßteilung mit einer ersten signalverarbeitenden Einheit der Auswerteeinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Maßstabskörper (1) mindestens eine weitere Teilung (4) vorgesehen ist, welche eine Rasterkonstante besitzt, die etwa dem durchschnittlichen Abstand der Referenzmarken der Referenzteilung (3) entspricht, daß gesonderte Abtastelemente (7) für die weitere Teilung (4) im Meßkopf der Abtasteinrichtung vorgesehen sind, die mit einer zweiten signalverarbeitenden Einheit (10) der Auswerteeinrichtung (8) verbunden sind, daß die Auswerteeinrichtung (8) eine, eine Meßwertverarbeitungseinheit (11) steuernde Steue' einheit (12) umfaßt, die eingangsseitig mit den Abtastelementen (5) der Meßteilung (2) und für die weitere Teilung (4) und ausgangsseitig mit der Meßwertverarbeitungseinheit (11) verbunden ist, und welche aus den Signalen der die Meßteilung (2) abtastenden Antastelemente (5) Verfahrrichtung und Verfahrgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung aus den Signalen der Abtastelemente (7) der weiteren Teilung (4) zugeordnete Meßschrittsignale ermittelt, und daß die Meßwertverarbeitungseinheit (11) von der Steuereinheit (12) in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit derart aussteuerbar ist, daß beim Überschreiten einer bestimmten Verfahrgeschwindigkeit die zweite signalverarbeitende Einheit (10) und beim Unterschreiten einer bestimmten Verfahrgeschwindigkeit die erste signalverarbeitende Einheit (9) die Zählung der Meßsignale übernimmt.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Teilung (4) auf der Referenzmarkenspur des Maßstabkörper?. (1) angeordnet ist.