DD297701A5 - METHOD OF MEASURING LENGTH - Google Patents
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Abstract
Description
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Das Verfahren ist bei translatorischen Meßsystemen anwendbar, insbesondere bei hochauflösenden Meßsystemen für große Längen an Werkzeugmaschinen und Längen- und Koordinatenmeßmaschinen.The method is applicable to translational measuring systems, in particular high-resolution measuring systems for long lengths of machine tools and length and coordinate measuring machines.
Im Werkzeugmaschinenbau und im allgemeinen Maschinenbau werden in großem Umfang Längenmeßsysteme eingesetzt. Grundsätzlich sind dabei zwei Arten bekannt, wobei die eine Art unter dem Begriff Absolutwert-System und die andere Art unter dem Begriff Inkrementalzählsystem zu beschreiben sind. Absolutwertsysteme, z.B. CH 374207, und Inkremental-Systeme,z.B. CH 499091, haben jeweils eine Reihe spezifischer Vor- und Nachteile. Eine Reihe von Lösungen vereinigt mit spezifischen hybriden Lösungen die Vorteile von beiden bzw. vermeidet deren Nachteile, z. B. DT 2 416212 B 2 oder DE 3144334 C2. In der Längen- und Winkelmeßeinrichtung nach DE 2416212 B 2 wird ein Teilungsträger mit einer zweiten zur Inkrementskala parallelen Referenzspur und identischen Referenzmarken verwendet. Die Referenzmarken können auch aus einzelnen Marken zusammengesetzt sein. Der Absolutwert jeder Referenzmarke bestimmt sich aus dem jeweiligen spezifischen Abstand zu genau einer benachbarten Referenzmarke, wobei diese unterschiedlichen Abstände zwischen den benachbarten Referenzmarken durch die Abtastung der Inkrementspur ermittelt werden. Zur Identifizierung der einzelnen identischen Referenzmarken muß diese und eine benachbarte Referenzmarke abgetastet und deren gegenseitiger spezifischer Abstand in Einheiten der Inkrementspur ermittelt werden und zusammen mit der Meßrichtungsinformation ausgewertet werden. Bei vertretbaren maximalen Abständen der Referenzmarken ist der Informationsgehalt einer so kodierten Referenzspur begrenzt. Daraus folgt, daß diese Kodierung nicht für beliebig lange Meßsysteme geeignet ist.In machine tool and general engineering length measuring systems are used on a large scale. In principle, two types are known, one type being described by the term absolute value system and the other type by the term incremental counting system. Absolute value systems, e.g. CH 374207, and incremental systems, e.g. CH 499091, each have a number of specific advantages and disadvantages. A number of solutions combined with specific hybrid solutions, the advantages of both or avoids their disadvantages, eg. B. DT 2 416212 B 2 or DE 3144334 C2. In the length and angle measuring device according to DE 2416212 B 2, a graduation carrier with a second reference track parallel to the incremental scale and identical reference marks is used. The reference marks can also be composed of individual stamps. The absolute value of each reference mark is determined from the respective specific distance to exactly one adjacent reference mark, these different distances between the adjacent reference marks being determined by the scanning of the increment track. To identify the individual identical reference marks, these and an adjacent reference mark must be scanned and their mutual specific spacing in increments of the incremental track determined and evaluated together with the measuring direction information. At reasonable maximum distances of the reference marks, the information content of a so-coded reference track is limited. It follows that this coding is not suitable for arbitrarily long measuring systems.
In DE 3 617 254 A1 wird ein Meßverfahren realisiert, bei dem zur Bestimmung des Absolutwertes einer Referenzmarke mindestens zwei Abstände zwischen dieser Referenzmarke und zwei weiteren Referenzmarken ermittelt werden. Diese Lösung hat den Vorteil, daß ein wesentlich höherer Informationsgehalt in vertretbar kleinen Abständen über die Referenzmarken kodiert werden kann. Die eindeutige Dekodierung der unterschiedlichen Abstände ist jedoch aufwendiger und die auftretende Zeitverzögerung zwischen dem rechentechnischen Bestimmen der zwei Abstände zu dieser Referenzmarke und der Zuordnung der Absolutposition zu dieser gleichen Referenzmarke ist größer und kann die zulässige Verfahrgeschwindigkeit einschränken. In DE 3324004 A1 wird ein Meßverfahren beschrieben, bei dem analog zu DT 2416212 A1 die Bestimmung des Absolutwertes einer Referenzmarke mittels der Dekodierung des jeweiligen spezifischen Abstandes zu einer benachbarten Referenzmarke erfolgt. Zur Vergrößerung des Codierumfanges wird hier zusätzlich eine zweite parallele Referenzmarkenspur eingeführt, die parallel abgetastet und ausgewertet werden mußIn DE 3 617 254 A1, a measuring method is realized in which at least two distances between this reference mark and two further reference marks are determined for determining the absolute value of a reference mark. This solution has the advantage that a much higher information content can be coded in reasonably small intervals over the reference marks. However, the unambiguous decoding of the different distances is more complicated and the occurring time delay between the computationally determining the two distances to this reference mark and the assignment of the absolute position to this same reference mark is greater and can limit the permissible travel speed. DE 3324004 A1 describes a measuring method in which, analogously to DT 2416212 A1, the determination of the absolute value of a reference mark takes place by means of the decoding of the respective specific distance to an adjacent reference mark. To increase the Codierumfanges here a second parallel reference mark track is additionally introduced, which must be scanned and evaluated in parallel
Allen angeführten Meßverfahren haften folgende Mängel an: All listed measuring methods have the following defects:
Die Ermittlung des Absolutwertes der jeweiligen Referenzmarke müßte zeitgleich mit dem Abtasten der Referenzmarke durch die Abtasteinheit beim Überfahren erfolgen. Es ist aber eine endliche Zeit für die Dekodierung der Abstände und die Bereitstellung der abgespeicherten Absolutwerte in der Auswerteeinrichtung notwendig, insbesondere dann, wenn zur Dekodierung Mikrorechner eingesetzt werden sollen. Bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten wäre die bereitgestellte Absolutposition nicht mehr identisch mit der tatsächlichen Position.The determination of the absolute value of the respective reference mark would have to take place simultaneously with the scanning of the reference mark by the scanning unit when driving over. However, a finite time is required for the decoding of the distances and the provision of the stored absolute values in the evaluation device, in particular if microcomputers are to be used for the decoding. At high travel speeds, the absolute position provided would no longer be identical to the actual position.
Für Anwendungsfälle, bei denen die Absolutpositionen, die als metrologisches Raster gelten, mit variablen Fehlerkomponenten, wie ζ. B. Temperaturfehler oder belastungsabhängige Deformationsanteile mittels Mikrorechnern korrigiert werden sollen, steht keine ausreichende Zeit für diese Korrekturrechnung zur Verfügung.For applications in which the absolute positions, which are considered as a metrological grid, have variable error components, such as ζ. B. temperature error or load-dependent deformation components to be corrected by micro-computers, is not sufficient time for this correction calculation available.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, den Gebrauchswert eines Längenmeßsystems, das einen Mikrorechner enthält, durch Erhöhung der Meßsignalverarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern.The aim of the invention is to improve the utility of a length measuring system containing a microcomputer, by increasing the Meßsignalverarbeitungsgeschwindigkeit.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren für ein quasi-absolutes inkrementales Längenmeßsystem anzugeben, bei welchem ein Teilungsträger mit abstandscodierten Referenzmarken einer Referenzspur abgetastet wird, und welches eine ausreichende Zeit zwischen dem Erkennen des Abstandscodes der Referenzmarken und dem Bereitstellen der Absolutposition zu Dekodierung und für Korrekturrechnungen gewährleistet.The invention has for its object to provide a measuring method for a quasi-absolute incremental length measuring system in which a graduation carrier is scanned with distance-coded reference marks a reference track, and sufficient time between the recognition of the distance codes of the reference marks and providing the absolute position to decoding and guaranteed for correction.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum Messen von Längen, bei dem ein Teilungsträger, der eine Rasterteilung mit einer Zählspur und Referenzmarken mit unterschiedlichen Abständen in mindestens einer anderen Spur aufweist, von einer Abtastrichtung abgetastet wird, wobei die Abtastsignale in einer Auswerteeinrichtung und einer Anzeigeeinrichtung weiterverarbeitet werden, und bei dem die unterschiedlichen Abstände der Referenzmarken zueinander durch Abtastung der Rasterteilung in Zähleinheiten der Zählspur ermittelt werden, wobei aus diesen Abstandssignalen Informationen in codierter Form über die Absolutwerte der Position der Referenzmarken gewonnen werden, der Code für den Absolutwert einer Referenzmarke durch Abtastung von zwei weiteren Referenzmarken gebildet wird, die in Verfahrrichtung vor dieser Referenzmarke liegen.The object is achieved in that in a method for measuring lengths, in which a graduation carrier having a grid pitch with a count track and reference marks at different distances in at least one other track is scanned by a scanning direction, wherein the scanning signals in one Evaluation device and a display device are further processed, and in which the different distances of the reference marks to each other by scanning the grid division in counting units of the count track are determined, being obtained from these distance signals information in coded form on the absolute values of the position of the reference marks, the code for the absolute value a reference mark is formed by scanning two further reference marks, which lie in the direction of travel before this reference mark.
Der Versatz um den Zählbetrag zo kann in der Auswerteeinrichtung wählbar sein. Der Übergabewert von der Auswerteeinrichtung zur Anzeigeeinrichtung kann einen zusätzlichen Korrekturwert enthalten.The offset by the counting amount z o can be selectable in the evaluation device. The transfer value from the evaluation device to the display device may include an additional correction value.
Der Versatz zo kann einerseits bei bekannter maximaler Abtastgeschwindigkeit und der maximal benötigten Zeit für die Dekodierung des Codes, für HilfsOperationen, wie z. B. aktuelle Temperaturkorrekturen der Position Pnt und für die Absolutwertbereitstellung in der Auswerteeinrichtung als Konstante eingestellt werden. Sie ergibt sich aus dem Produkt von maximaler Abtastgeschwindigkeit und der benötigten Zeit bis zur Absolutwertbereitstellung. Andererseits kann die Anordnung selbst elektronische Mittel enthalten, die nach Abschluß von Dekodierung, Hilfsoperationen und Absolutwertbereitstellung das jeweils aktuelle zo bestimmt.The offset z o can on the one hand at a known maximum scanning speed and the maximum time required for the decoding of the code, for auxiliary operations such. B. current temperature corrections of the position P nt and for the absolute value provision in the evaluation are set as a constant. It results from the product of maximum scanning speed and the time required for the absolute value provision. On the other hand, the device itself may contain electronic means which, after completion of decoding, auxiliary operations and absolute value provision, determine the current z o .
In Abhängigkeit von der Verfahrrichtung ist das z0 als positiver oder negativer Zählbetrag zu werten.Depending on the direction of travel, the z 0 is to be regarded as a positive or negative count.
Gemäß dem erfindungsgemäßen quasi-absoluten inkrementalen Längenmeßverfahren steht die Zeit für die Dekodierung, für Hilfsoperationen und für die Absolutwertbereitstellung zur Verfügung, die für die relative Verschiebung der Abtasteinrichtung vom Moment der Abtastung der letzten zum abstandskodierten Code gehörenden Referenzmarke von den z0 Inkrementen der Zählspur benötigt wird.According to the quasi-absolute incremental length measuring method according to the invention, the time is available for decoding, auxiliary operations and absolute value provisioning which requires the relative displacement of the scanning device from the moment of sampling of the last reference code belonging to the distance coded code from the z 0 increments of the counting track becomes.
Je nach der Hard- und/oder Softwarelösung für die Auswerteeinrichtung kann der Zählbetrag bei vorgegebener maximaler Relativbewegung zwischen Teilungsträger und Abtasteinrichtung so gewählt werden, daß eine ausreichende Zeit für die Dekodierung, Hilfsoperationen und Absolutwertbereitstellung zur Verfügung steht.Depending on the hardware and / or software solution for the evaluation device, the counting amount for a given maximum relative movement between graduation carrier and scanning device can be selected so that a sufficient time is available for the decoding, auxiliary operations and absolute value provision.
Das Verfahren ermöglicht es, daß bei den quasi-absoluten inkrementalen Längenmeßsystemen die den Positionen Pn der Zählspur zugeordneten Absolutwerte ohne Zeitverzögerung bereitgestellt werden und somit die bereitgestellten Absolutpositionen auch bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten identisch mit den tatsächlichen Positionen sind. Weiterhin sind den absoluten Positionen aktuelle variable Fehlerkomponenten zuordenbar, ohne das dynamische Verhalten des Meßsystems zu beeinflussen.The method makes it possible that in the quasi-absolute incremental length measuring the absolute values associated with the positions P n of the count track are provided without time delay and thus the absolute positions provided are identical to the actual positions even at high speeds. Furthermore, the absolute positions current error components can be assigned without affecting the dynamic behavior of the measuring system.
Aufgrund der erfindungsgemäß geschaffenen Zeitspanne zwischen der Codeerkennung und der Bereitstellung der Absolutwerte sind vor allem auch für die Dekodierung von Doppelcodes und für zusätzliche Korrekturrechnungen ökonomisch vorteilhafte Mikrorechnerlösungen einsetzbar.Due to the time span between the code recognition and the provision of the absolute values created according to the invention, economically advantageous microcomputer solutions can be used, above all, also for the decoding of double codes and for additional correction calculations.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawing show
Fig. 1: einen Teilungsträger mit einer einfach kodierten Referenzspur, und Fig. 2: die Anordnung der Abtastelemente in einer Abtasteinrichtung.Fig. 1: a graduation carrier with a single-coded reference track, and Fig. 2: the arrangement of the scanning elements in a scanning device.
Das quasi-absolute inkrementale Längenmeßsystem, von dem in der Zeichnung nur ein Teilungsträger 1 dargestellt ist, umfaßt ferner eine Rasterteilung 2 und eine eine Referenzmarkenspur 3 abtastende Abtasteinrichtung, welche mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, die elektrische Auswertesignale erzeugt. Die in Fig. 2 dargestellte Abtastplatte 4 der Abtasteinrichtung umfaßt eine Marke 5 zur Abtastung der Referenzmarkenspur 3 und ein Gegengitter 6 mit vier um 90° phasenverschobenen Bereichen zur Abtastung der Rasterteilung 2.The quasi-absolute incremental length measuring system, of which only one graduation carrier 1 is shown in the drawing, further comprises a grid division 2 and a scanning device scanning a reference mark track 3, which is connected to an evaluation device which generates electrical evaluation signals. The scanning 4 of the scanning device shown in Fig. 2 comprises a mark 5 for scanning the reference mark track 3 and a counter-grid 6 with four phases phase-shifted by 90 ° for scanning the grid division second
In Fig. 1 ist eine einfach kodierte Referenzmarkenspur 3 dargestellt. Die Information über die Position Pn, ist für den Fall der Vorwärtsbewegung in Teilungsrichtung 8 in den Codemarken Cn und Cn _ ι bzw. in deren Abstand dn enthalten, welcher anhand der Rasterteilung 2 mittels der von ihr abgeleiteten Zählsignale ermittelt wird.FIG. 1 shows a simply coded reference mark track 3. The information about the position P n is, in the case of the forward movement in the division direction 8 in the code marks C n and C n _ ι or in their distance d n included, which is determined based on the grid division 2 by means of their derived count signals.
Für das gewählte Beispiel sollen folgende Parameter vorgegeben sein:The following parameters should be specified for the selected example:
- Inkrement der Zählspur: 1μηη- Increment of the counting track: 1μηη
- maximale Relativgeschwindigkeit (Abtastgeschwindigkeit) zwischen Rasterteilung und Abtasteinrichtung: 1 m/s -maximum relative speed (scanning speed) between grid division and scanning device: 1 m / s
- maximal benötigte Zeit für die Dekodierung, für HilfsOperationen, wie z. B. aktuelle Temperaturkorrekturen der Positionen Pn und für die Absolutwertbereitstellung in der Auswerteeinrichtung: 0,5ms- Maximum time required for decoding, for auxiliary operations, such. B. current temperature corrections of the positions P n and for the absolute value provision in the evaluation: 0.5ms
Aus dem Produkt von maximaler Abtastgeschwindigkeit und der benötigten Zeit für die Absolutwertbereitstellung ergibt sich ein Zählbetrag zozu 500pm.From the product of maximum scanning speed and the time required for the absolute value provision results in a count z o to 500pm.
Dieser Versatz von zo = δΟΟμτη - entsprechend 500 Zähleinheiten der Zählspur - wird als Konstante in der Auswerteeinrichtung eingestellt.This offset of z o = δΟΟμτη - corresponding to 500 counting units of the counting track - is set as a constant in the evaluation device.
Beim Erreichen der Position +Рпг. die um zo von Pn, abweicht, wird von der Auswerteeinrichtung ein Übergabewert an dieUpon reaching the position + Рpг. which differs by z o of P n , is provided by the evaluation a transfer value to the
Anzeigeeinrichtung als aktuelle Position der Meßanordnung übergeben, welcher den Absolutwert von Pn1, den Versatz vonDisplay device as the current position of the measuring device passed, which the absolute value of P n1 , the offset of
+500pm und ggf. einen zusätzlichen Korrekturwert enthält.+ 500pm and possibly an additional correction value.
Der Versatz zo der Position +Pn2 zur Übergabe des in der Auswerteeinrichtung decodierten und ggf. korrigierten Absolutwertes Pm gegenüber dem Codeimpuls Cn wird anhand der Zählsignale in der Zählspur ab Pni ermittelt.The offset z o of the position + P n2 for the transfer of the decoded in the evaluation and possibly corrected absolute value Pm against the code pulse C n is determined based on the count signals in the counting track from P n i.
Für den Fall der Rückwärtsbewegung ist die Information für die Position P„i in den Codemarken Cn +1 und Cn bzw. in derenIn the case of the backward movement, the information for the position P "i in the code marks C n +1 and C n or in their
Abstand dn +, enthalten.Distance d n +, included.
Vorteilhaft ist nun, daß z. B. bei einer Vorwärtsbewegung nach Passieren der Abtasteinrichtung über Cn _ ι und CndieIt is advantageous that z. B. in a forward movement after passing the scanner via C n _ ι and C n the
Abstandsinformation dekodiert werden kann, und daß für diese Dekodierung und der Absolutwertbereitstellung von Pn, und ggf.Distance information can be decoded, and that for this decoding and the absolute value provision of P n , and possibly
für weitere Korrekturrechnungen in einem Prozessor Zeit zur Verfügung steht und der berechnete und korrigierte Absolutwert für +P„2 zur Verfügung steht, bevor diese Position erreicht wird, und daß beim Erreichen dieser Position der Absolutwert sofort für die Anzeigeeinrichtung zur Verfügung steht.time is available for further correction calculations in a processor and the calculated and corrected absolute value for + P "2 is available before this position is reached, and that upon reaching this position, the absolute value is immediately available to the display device.
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