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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein absolutes Längenmeßsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1. Derartige Längenmeßsysteme
werden beispielsweise eingesetzt, um die absolute Position eines
Vorschubsattels einer Werkzeugmaschine zu ermitteln.
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Bekannte
Längenmeßsysteme
für absolute Positionen
beruhen beispielsweise nach der
DE 4125865 C2 auf sehr genau gefertigten
Maßstäben, die
eine absolute Codierung tragen. Diese Art der Codierung erlaubt
sofort nach dem Einschalten ein Ablesen der aktuellen Position,
ohne erst eine Referenzmarke anfahren zu müssen. Der Nachteil einer solchen
Lösung
ist im hohen Preis zu sehen, der vor allem aus der aufwendigen Herstellung
des Maßstabes
und der Abtasteinheit resultiert. Für die absolute Codierung einer
relativ langen Strecke ist außerdem eine
Vielzahl an Codespuren nötig,
dadurch entsteht ein hoher Platzbedarf quer zur Meßrichtung.
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Üblich ist
eine weitere kostengünstige
Variante, die darin besteht, die lineare Bewegung in eine rotatorische
Bewegung umzuwandeln und mittels eines absoluten Winkelcodierers
zu erfassen. Die Drehung einer den linearen Vorschub erzeugenden Spindel
kann hierzu verwendet werden. Mechanische Fehler wie Spiel, Abweichungen
der Spindelsteigung oder Ausdehnung der Spindel durch Erwärmung verfälschen dabei
aber das Meßergebnis.
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Um
dies zu umgehen, schlägt
die
DE 19515940 A1 vor,
an einer Werkzeugmaschine zusätzlich
zur rotatorischen Erfassung der absoluten Spindelposition über mehrere
Umdrehungen auch einen längs
des Verfahrweges angebrachten linearen inkrementalen Maßstab abzutasten,
und beide Meßwerte
so zu verknüpfen,
daß jederzeit
eine absolute Positionsangabe mit der Genauigkeit des inkrementalen
Maßstabes
möglich
ist. Dabei kann die Auslegung der Maßstabsteilungen so erfolgen,
daß mechanische
Fehler der oben erwähnten
Art keine Rolle spielen, solange sie klein genug sind. Dies bedeutet aber
auch, daß die
mechanischen Gegebenheiten bei der Auslegung der Teilungen bekannt
sein müssen.
Eine Nachrüstung
einer beliebigen Werkzeugmaschine mit einem Meßgerät aus einer Serienfertigung
ist dann nicht immer möglich.
Wird der Vorschub in Meßrichtung
von einem Linearmotor erzeugt, steht zunächst gar keine Spindel zum
Abgreifen einer der Linearbewegung entsprechenden rotatorischen
Bewegung zur Verfügung.
Für sehr
hohe Auflösungen
spielen bei der Verknüpfung
der beiden Meßwerte
außerdem
die Signallaufzeiten von absolutem Drehgeber und Linearmaßstab zur
Auswerteelektronik eine wichtige Rolle, dies kann bei unterschiedlichen
Anbaugeometrien wegen der verschiedenen Kabellängen zu Problemen führen.
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Die
DE 3829636 C2 beschreibt
ein Positionserfassungssystem für
lineare Bewegungen, das auf der Kombination eines Maßstabes
mit einer Codescheibe über
eine Umsetzmechanik beruht. Das Auslesen einer absoluten Position
ist erst nach dem Überfahren
einer Referenzmarke möglich.
Die Umsetzmechanik muß eine
schlupffreie Kopplung gewährleisten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, ein in der Herstellung kostengünstiges
absolutes Längenmeßsystem
zur Verfügung
zu stellen, das flexibel anwendbar ist und auch im nachträglichen
Anbau problemlos eingesetzt werden kann.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen absoluten
Längenmeßsystems
ergeben sich aus den Maßnahmen,
die in den abhängigen
Patentansprüchen
aufgeführt
sind.
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Ein
kostengünstiges
absolutes Längenmeßsystem,
das auch flexibel im nachträglichen
Einbau verwendet werden kann, läßt sich
dadurch erzielen, daß längs der
Linearbewegung ein Längenmeßsystem
mit einem abschnittsweise absolut codierten Linearmaßstab mit
Abtastkopf vorgesehen ist, außerdem
ein absoluter Winkelcodierer, der die Linearbewegung über eine
Umsetzmechanik erfaßt,
sowie eine Auswerteeinheit zur geeigneten Verknüpfung der Positionssignale
von Längenmeßsystem
und Winkelcodierer. Der Abtastkopf des Längenmeßgerätes, und der absolute Winkelcodierer
sind erfindungsgemäß in einer
Abtasteinheit integriert.
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Da
der abschnittsweise absolut codierte Linearmaßstab mit nur einer oder wenigen
Codespuren auskommt, ergeben sich bei gleicher Meßlänge und
Genauigkeit gegenüber
Systemen, die eine absolute Codierung auf der gesamten Länge des
Linearmaßstabes
aufweisen, Vorteile bei Herstellungskosten und Platzbedarf von Maßstab und
Abtastkopf.
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Der
Einsatz einer eigenen Mechanik zur Umsetzung der Linearbewegung
in eine Drehbewegung macht zudem unabhängig von den Gegebenheiten des
konkreten Anwendungsfalles. So kann z.B. statt einer Vorschub leistenden
Spindel eine Zahnstange längs
des Linearmaßstabes
mittels eines Zahnrades abgetastet werden. Die mechanischen Gegebenheiten
dieses Systems (z.B. Schlupf, Spiel, Anbautoleranz) können von
vornherein bei der Auslegung der Inkrementalteilung auf dem Längenmaßstab und
des Drehgebers berücksichtigt
werden, so daß die
Fehler der Mechanik nach geeigneter Verknüpfung der beiden Messungen
keine Rolle mehr spielen und die Genauigkeit der Messung nur von
der direkt abgetasteten linearen abschnittsweise absoluten Spur
abhängt.
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Die
Integration vom Ablesekopf der abschnittsweise absolut codierten
Spur mit dem Winkelcodierer in einer Abtasteinheit sorgt außerdem dafür, daß die Signallaufzeiten
der Positionssignale von Längenmeßsystem
und Winkelcodierer zur Auswerteeinheit unabhängig vom konkreten Anwendungsfall immer
gleich sind, da für
deren Verbindung nur ein Kabel benötigt wird, unabhängig vom
konkreten Anwendungsfall. Es kann auch die Auswerteeinheit selbst
mit in die Abtasteinheit aufgenommen werden.
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Weitere
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beiliegenden Figuren.
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Dabei
zeigt
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1 eine
erste einfache Ausführungsform,
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2 das
Signaldiagramm der Abtastung des vollständigen Meßweges der ersten einfachen Ausführungsform,
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3 eine
Tabelle mit einem Teil der möglichen
Ablesungen des Signaldiagrammes und deren Zurückführung auf einen einschrittigen
Code,
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4 ein
Diagramm der in der Auswerteeinheit verwendeten Anschlußlogik,
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5 eine
zweite Ausführungsform
mit hoher Auflösung
und großer
Meßlänge,
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6 ein
Diagramm der in der zweiten Ausführungsform
verwendeten Anschlußlogik
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Das
absolute Längenmeßsystem 1 nach 1 soll
zur Erläuterung
des Aufbaues eines sehr einfachen erfindungsgemäßen Systems und der vollständigen Beschreibung
der Auswertung der Meßsignale
dienen. Wegen seiner einfachen Ausführung wird es sich nicht für praktische
Zwecke eignen. Eine bevorzugte Ausführungsform wird in 5 gezeigt und
später
beschrieben.
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Das
absolute Längenmeßsystem 1 nach 1 besteht
aus einem Linearmaßstab 2 mit
einer Codespur in Form einer einzigen Inkrementalspur 3 der
Teilungsperiode TP = 2cm und einem Abtastkopf 6. Innerhalb
einer Teilungsperiode kann z.B. durch Interpolation eine Unterteilung
erzeugt, und die absolute Position innerhalb einer Teilungsperiode
festgestellt werden. Die Inkrementalspur kann daher als abschnittsweise
absolut bezeichnet werden.
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Durch
weitere Maßnahmen
muß nun
die absolute Position der Teilungsperiode selbst festgestellt werden,
um letztlich einen über
die ganze Meßlänge absoluten
Positionswert mit der Genauigkeit der Unterteilung der Teilungsperiode
zu bekommen. Hierzu enthält
ein absoluter Winkelcodierer 4 eine Codescheibe 9 mit
vier Codespuren c, d, e und f, die zusammen eine Umdrehung der Codescheibe 9 absolut
codieren, und dabei eine Unterteilung der Umdrehung in sechzehn
Positionen erlauben. Die Codespuren c, d, e, und f werden von auf
einem Abtastkopf 10 angeordneten Sensoren C, D, E und F
gelesen. Die Umsetzmechanik 5 zur Wandlung der Linearbewegung
der Abtasteinheit 7 in eine Drehbewegung ist hier durch
einfache Reibung am Berührungspunkt zwischen
der Codescheibe 9 und dem Linearmaßstab 2 ausgebildet.
Die Abtastköpfe 6 und 10 sind
in diesem Beispiel starr verbunden.
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Der
Umfang der Codescheibe 9 entspricht in diesem einfachen
Ausführungsbeispiel
der Meßlänge ML =
16cm.
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Der
Linearmaßstab 2 und
die Codescheibe 9 des absoluten Winkelcodierers 4 bestehen
aus einem durchsichtigen Substrat und darauf angeordneten undurchsichtigen
Bereichen. Die Sensoren A, B, C, D, E, F zur Abtastung der Codespuren
sind daher als Photozellen im Abtastkopf 6 bzw. 10 ausgebildet, deren
Beleuchtung durch die undurchsichtigen Bereiche der Codespuren unterbrochen
wird.
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Die
Inkrementalspur 3 wird in bekannter Weise zweifach abgelesen:
Die beiden Sensoren A und B auf Abtastkopf 6 werden um
ein Viertel der Teilungsperiode beabstandet angeordnet, also um 0.5cm
bei der im Beispiel gewählten
Teilungsperiode von 2cm. Der kleinste Meßschritt MS verkleinert sich dabei
ebenfalls auf ein Viertel der Teilungsperiode.
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Die
Sensoren A und B liefern also die beiden Signale der Abtastung des
Linearmaßstabes,
Sensoren C, D, E und F tasten die entsprechenden Spuren c, d, e
und f der Codescheibe 9 ab. Für eine Anwendung an einer nicht
gezeichneten Werkzeugmaschine könnte
nun der Linearmaßstab 2 fest
mit der Werkzeugmaschine verbunden sein, und die Abtasteinheit 7 der
Bewegung eines Vorschubsattels folgen, ebenso könnte die Abtasteinheit 7 ortsfest und
der Linearmaßstab 2 an
einem beweglichen Arm befestigt sein.
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Im
Folgenden soll die an sich bekannte, z.B. in der
DE 3734938 C2 beschriebene
Verknüpfung der
Signale von Linearmaßstab
2 und
absolutem Winkelcodierer
4 erklärt werden. Ziel ist es, die
Spuren des gröberen
Maßstabes
(hier des absoluten Winkelcodierers
4) an die Spuren des
feineren Maßstabes
(hier des Linearmaßstabes
2)
so anzuschließen,
daß ein
einschrittiger Code mit der Auflösung des
feinen Maßstabes
entsteht, der über
die gesamte Meßlänge eindeutig
ist. Dabei darf ein Ablesefehler der gröberen Spur (verursacht z.B.
durch mechanische Toleranzen der Verbindung zwischen grobem und
feinem Maßstab)
nicht zu einem Fehler im resultierenden Positionssignal führen. Dies
wird erreicht, indem zusätzlich
zur feinen Spur eine weitere Spur (Anschlußspur) mit gleicher Teilungsperiode
TP und 90 Grad Phasenversatz für
den Codeanschluß zur Verfügung gestellt
wird: Im Beispiel können
daher statt der 2
6 = 64 möglichen
Kombinationen der sechs Signale der Sensoren A – F nur 2
5 =
32 genutzt werden.
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Zur
Erläuterung
zeigt 2 das Signaldiagramm der Abtastungen aller sechs
Sensoren A – F aus 1 über die
volle Meßlänge von
links nach rechts. Die Flanken der Abtastung der Sensoren C – F des
absoluten Winkelcodierers 4 sind dabei beidseitig mit einem „X" gekennzeichnet,
um anzudeuten, daß durch
mechanische und elektronische Toleranzen beim Übergang von logisch „0" auf logisch „1" und umgekehrt über die
Breite einer viertel Teilungsperiode TP eine Fehlablesung erfolgen
kann.
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Liest
man nun das Signaldiagramm spaltenweise ab, erhält man die in 3 teilweise
gezeigte Tabelle aus 32 6-bit-Codewörtern, die neben „0" und „1" jeweils genau ein „X" enthalten. Anstelle
des „X" steht im tatsächlich ausgelesenen
Codewort entweder „0" oder „1". Schreibt man nun
für jede
Position beide Möglichkeiten
an, ergibt sich eine eindeutige Zuordnung aller 64 Möglichkeiten
zu den 32 Positionen, keines der 64 Codewörter wiederholt sich, jeweils
die beiden aus einem Codewort mit „X" entstandenen Codewörter sind genau einer Position
zugeordnet.
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Die
Auswerteeinheit 8 kann also aus dem 6-bit-Codewort mit
genau einem unsicheren „X"-bit ein zuverlässiges 5-bit-Codewort
mit Hilfe einer Tabelle nach 3 erzeugen.
Dieser Codeanschluß ist nochmals
schematisch in 4 dargestellt: Um die Spuren
C, D, E, F des absoluten Winkelcodierers 4 an die Inkrementalspur 3 anzuschließen, werden
die Spuren A und B zusammen mit C, D, E, F in der oben beschriebenen
Weise zu einem 5-bit Codewort verbunden. Über die gesamte Meßlänge erhält man so einen
einschrittigen Gray-Code. Die Ablesung am jeweils mit „X" gekennzeichneten
Sensor ist damit ohne Einfluß auf
das Meßergebnis.
Daraus folgt, daß die
Summe aller Fehler der Umsetzmechanik, der Anbautoleranzen (z.B.
Lage des Coderades relativ zum Maßstab) und der Auswerteelektronik
(z.B. Triggerschwellen der Signalformung) keine Rolle spielt, solange
sie dem Betrage nach kleiner als ein Viertel der Teilungsperiode
(also +/- 90 Grad Phasenversatz) der Inkrementalspur 3 ist.
Ist der Betrag dieser Summe größer oder
gleich einem Viertel der Teilungsperiode der Inkrementalspur 3,
kann das Ergebnis stark verfälscht
werden, da dann mehrere Ablesungen unsicher sind und verschiedene,
nicht notwendigerweise benachbarte Meßintervalle als Meßergebnis
in Frage kommen.
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Anhand
von 5 soll nun ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben
werden, das für
praktische Zwecke einsetzbar ist. Es bietet einen kleinsten Meßschritt
von 4 μm
bei einer Meßlänge von
mehr als 2 Metern. Die Meß länge läßt sich
mit geringem Aufwand weiter steigern, z.B. auf über 30 Meter.
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Dieses
absolute Längenmeßsystem 11 besteht
aus einem Linearmaßstab 12 mit
einer Inkrementalteilung 13, die sich wiederum aus vier
Spuren g, h, i, und j mit jeweils unterschiedlicher Teilungsperiode
16 μm, 128 μm, 1024 μm und 8192 μm zusammensetzt.
Die feinste Teilung trägt
Spur g, die gröbste Teilung
trägt Spur
j. Diese Inkrementalteilung 13 erlaubt es, die Position
innerhalb eines 8192 μm – Intervalls
mit einem kleinsten Meßschritt
von 4 μm
absolut zu bestimmen, sie ist daher abschnittsweise absolut. Um
die Meßlänge zu vergrößern, ist
am Linearmaßstab 12 eine
Zahnstange 14 befestigt, die über ein Zahnrad 15 abgetastet
wird. Die durch einen linearen Vorschub der Abtasteinheit 20 entstehende Drehbewegung
des Zahnrades 15 wird in einem absoluten Winkelcodierer 22 mittels
einer Übersetzung 16 so
auf die Codescheibe 17 übertragen,
daß sich die
Codescheibe 17 nach einem Weg von 16 × 8192 μm = 131072 μm einmal um sich selbst gedreht
hat. Die Codescheibe 17 erlaubt dabei die Einteilung einer
Umdrehung in 25 = 32 Positionen, trägt also
fünf Spuren. Über eine
weitere Übersetzung 18 wird
die Drehbewegung an eine zweite Codescheibe 19 so übertragen,
daß Codescheibe 19 eine
Umdrehung für
sechzehn Umdrehungen von Codescheibe 17 ausführt. Auch
Codescheibe 19 trägt
fünf Spuren.
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Die
in der Abtasteinheit 20 untergebrachten und auf den Abtastköpfen 23, 24, 25 angeordneten Sensoren
zum Ablesen aller Spuren sind in 5 nicht
gezeichnet. Die Verknüpfung
der entstehenden Signale in der Auswerteeinheit 21 soll
aber im Folgenden beschrieben werden. Zunächst wird von jeder Spur g,
h, i, j ein Signal G, H, I, J abgegriffen, sowie ein jeweils um
eine viertel Periode vorauseilendes Signal G', N',
I', J'. Aus H und H' werden dann Signale
der Perioden 64 μm
und 32 μm
erzeugt. Ebenso erzeugt man aus I und I' Signale der Perioden 512 μm und 256 μm, sowie
aus J und J' Signale
der Perioden 4096 μm
und 2048 μm.
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Wie
in 6 zu erkennen ist, stehen nun vom Linearmaßstab 12 vierzehn
Signale unterschiedlicher Perioden und Phasenlagen zur Verfügung. Die
aus H abgeleiteten Signale werden nun laut 6 an die
Spur g angeschlossen, mit der gleichen Verknüpfung wie sie im ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde. Bei der Herstellung des Maßstabes muß die Spur G also eine Toleranz
von +/- 4 μm
gegenüber
Spur h einhalten. Außerdem
werden die aus Spur i abgeleiteten Signale an Spur h angeschlossen,
sowie die aus Spur j abgeleiteten Signale an Spur i. Für die Spur
j wird bei der Herstellung nur noch eine Toleranz von +/- 256 μm verlangt,
dies entspricht einem Viertel der Teilungsperiode von Spur i.
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Um
die Fehler der im wesentlichen aus Zahnrad 15 bestehenden
Mechanik zur Umsetzung der Linearbewegung in eine Drehbewegung auszuschalten,
müssen
die Signale der Codescheibe 17 an Spur j der Inkrementalteilung 13 angeschlossen
werden, wie in 6 dargestellt ist. Der erlaubte
Fehler liegt dann dem Betrage nach bei maximal 2mm, entsprechend
einer Fehlstellung der Codescheibe 17 um 5,6 Grad. Dies
stellt an die Mechanik keine großen Ansprüche, die Ausführung ist
kostengünstig
zu realisieren.
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Zuletzt
werden die Signale der Codescheibe 19 wie in 6 gezeigt
an die Signale der Codescheibe 17 angeschlossen, wieder
kann dadurch eine Fehlstellung der Codescheibe 19 um 5,6
Grad toleriert werden.
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Wie
in 6 zu erkennen ist, erhält man aus der Verknüpfung der
vierundzwanzig Signale von Linearmaßstab 12 und Codescheiben 17, 19 neunzehn Signale.
Damit können
219 × 4 μm = 2.1 Meter
absolut codiert werden. Wollte man einen Linearmaßstab der beschriebenen
Art auf dieser Länge
absolut codieren, wären
statt der vier Spuren deren sieben notwendig, was den Herstellungsaufwand
und den Platzbedarf fast verdoppeln würde. Der kleinste Meßschritt
beträgt
im Ausführungsbeispiel
4 μm, die
Auflösung
des Meßgerätes kann
durch Interpolation des Signals G aber noch weiter gesteigert werden.
Mit einer weiteren 5-bit Codescheibe könnte die Meßlänge außerdem ohne weiteres auf 33.5
Meter gesteigert werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Realisierung der Erfindung besteht in einer abgewandelten Ausführung des
Linearmaßstabes.
Zusätzlich
zu einer Inkrementalspur mit einer Periode der gewünschten Feinheit
wird eine im Pseudo Random Code (PRC) codierte Spur aufgebracht,
deren Bitmuster über
eine bestimmte Strecke eindeutig den jeweiligen Abschnitt der Strecke
codiert. Ist dieser Abschnitt gerade 8192 μm lang, können die Mechanik und die Codescheiben
aus dem letzten Beispiel verwendet werden, um die absolute Codierung
auf die gewünschte
Meßlänge zu bringen.
Dazu muß die
jeweils festgestellte Position innerhalb des PRC – Abschnitts
in Signale umgerechnet werden, die dann den Anschluß an die
den kleinsten Meßschritt
definierende feine Inkrementalspur und die Codescheiben ermöglichen.
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Die
Erfindung ist bei Meßeinrichtungen
einsetzbar, die auf lichtelektrischen, kapazitiven, induktiven oder
magnetischen Abtastprinzipien oder Kombinationen daraus beruhen.