DE102020134604A1 - Device and method for position determination - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung. Um eine Lösung vorzustellen, die eine Empfindlichkeit der Erfassung gegenüber Signalstörungen verringert, wird vorgeschlagen, die Positionsbestimmung basierend auf einem Detektorsignal und einem Fenstersignal durchzuführen, die auf mindestens drei Erfassungssignalen basieren, wobei auf Basis zweier der Erfassungssignale das Detektorsignal und auf Basis eines weiteren der Erfassungssignale das Fenstersignal bestimmt wird. Dadurch kann das Fenstersignal unabhängig von dem Detektorsignal bestimmt werden, was zu einer besseren Auflösung der Positionsbestimmung führt.The present invention relates to a device and a method for position determination by detecting at least one reference mark of a material measure. In order to present a solution that reduces the sensitivity of the detection to signal interference, it is proposed to carry out the position determination based on a detector signal and a window signal, which are based on at least three detection signals, with the detector signal being based on two of the detection signals and the detection signals based on another one the window signal is determined. As a result, the window signal can be determined independently of the detector signal, which leads to better resolution of the position determination.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Positionsmesseinrichtungen zur Detektion einer Referenzmarke und insbesondere aber nicht ausschließlich eine Vorrichtung zur optischen Positionsbestimmung zur Erfassung einer Relativbewegung oder Rotation einer Skala zu einem Messkopf.The present invention relates to the field of position measuring devices for detecting a reference mark and in particular but not exclusively to a device for optical position determination for detecting a movement or rotation of a scale relative to a measuring head.
Eine Positionsmesseinrichtung umfasst einen Messkopf und eine hierzu in einer Messrichtung beweglichen Maßverkörperung. Die Maßverkörperung weist eine periodische Skala, insbesondere ein sich in Messrichtung erstreckendes optisches Gitter, und mindestens eine Referenzmarke auf. Der Messkopf erfasst eine inkrementelle Relativbewegung der Skala in Messrichtung zur Erzeugung zumeist sinusförmiger periodischer Signale. Zusätzlich wird mindestens eine Referenzmarke detektiert und mindestens ein Referenzpuls erzeugt, wodurch die absolute Position in Messrichtung zum Messkopf bestimmt werden kann. Hierzu weist der Messkopf eine Detektoranordnung zur Erfassung der Skala und eine Detektoranordnung zur Erfassung der Referenzmarke auf.A position-measuring device includes a measuring head and a measuring standard that can be moved in a measuring direction for this purpose. The material measure has a periodic scale, in particular an optical grating extending in the measuring direction, and at least one reference mark. The measuring head detects an incremental relative movement of the scale in the measuring direction to generate mostly sinusoidal periodic signals. In addition, at least one reference mark is detected and at least one reference pulse is generated, as a result of which the absolute position in the measuring direction relative to the measuring head can be determined. For this purpose, the measuring head has a detector arrangement for detecting the scale and a detector arrangement for detecting the reference mark.
Gattungsgemäße Vorrichtungen, wie sie beispielsweise aus den Veröffentlichungen
Zur Erfassung einer Referenzposition wird beispielsweise in der Schrift
Eine andere in
Hochaufgelöste Positionsmesseinrichtungen mit einer hochaufgelösten Referenzmarke sind beispielsweise aus den Patenten
Derartige oder vergleichbare Vorrichtungen haben jedoch mehrere Nachteile: Die gechirpte Gitterstruktur ist als diffraktives optisches Element (DOE) ausgelegt und muss mit derselben Präzision gefertigt werden wie das inkrementelle Gitter und dabei eine exakte Lagebeziehung mit engen Fertigungstoleranzen zu diesem aufweisen. Solche Strukturen sind aufwändig und teuer herzustellen. Die Phasenbeziehung des Referenzpulses zum periodischen Signal ist durch seine physische Position in Messrichtung und die Lage der Detektoren bestimmt und lässt sich somit nicht einstellen. Dennoch kann die Lage des Referenzpulses durch das interferometrisch erzeugte Muster sehr anfällig sein gegenüber Schwankungen in der Ausrichtung des Detektors zur Skala und kann sich insbesondere bei Verdrehung des Detektors im Betrieb ändern. Andererseits ist eine gezielte Verstellung der Position und Breite des Referenzpulses nur eingeschränkt möglich. Ferner wird erst durch mehrere elektronische Summenbildungen die gewünschte Form des Signalpulses erzeugt.However, such or comparable devices have several disadvantages: The chirped grating structure is designed as a diffractive optical element (DOE) and must be manufactured with the same precision as the incremental grating and have an exact positional relationship with narrow manufacturing tolerances to this. Such structures are complex and expensive to produce. The phase relationship of the reference pulse to the periodic signal is determined by its physical position in the direction of measurement and the location of the detectors and is therefore not adjustable. Nevertheless, the position of the reference pulse due to the interferometrically generated pattern can be very susceptible to fluctuations in the alignment of the detector to the scale and can change during operation, in particular when the detector is rotated. On the other hand, a targeted adjustment of the position and width of the reference pulse is only possible to a limited extent. Furthermore, the desired shape of the signal pulse is only generated by several electronic summations.
Weiterhin sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, bei denen Referenzmarken als einfache Markierungen ohne besondere Struktur auf der Maßverkörperung angebracht sind. Die Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung erstreckt sich über mehrere Perioden der inkrementellen Skala. Vergleichbare Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in
Die Nachteile derartiger und ähnlicher Verfahren und Vorrichtungen sind folgende: Zum einen ist zusätzlich zur Differenzbildung eine Summenbildung nötig, die mittels elektronischer Bauelemente in einer Auswerteeinheit umgesetzt werden muss und verlustbehaftet ist. Weiterhin führen sowohl das Summensignal als auch das Differenzsignal auf dieselben zwei Detektorsignale zurück. Eine Störung im Differenzsignal, beispielsweise eine Änderung des Umgebungslichts, führt automatisch auch zu einer Störung des Summensignals, wodurch sich diese Störung zweifach auswirkt. Schließlich ist die Form und Breite des Summensignals bestimmt durch die physikalische Anordnung und Abmessungen der Detektoren bzw. Detektorgruppen, die auch das Differenzsignal erzeugen. Die Lage und Breite des Fenstersignals kann somit außer durch die Schwellwerthöhe für das Summensignal nicht unabhängig vom und gezielt auf das Differenzsignal abgestimmt werden. Beispielsweise ist es gewünscht, das Fenstersignal möglichst schmal zu machen. Ein entsprechendes Design hätte aber auch schmale Detektorsignale zur Folge, die nicht mehr hinreichend überlappen, um die notwendige typische Form des Differenzsignals zu erzeugen, welches in solch einem Fall einen Sattelpunkt anstelle einer steilen Flanke hätte.The disadvantages of such and similar methods and devices are as follows: On the one hand, in addition to calculating the difference, a summation is necessary, which has to be implemented using electronic components in an evaluation unit and is lossy. Furthermore, both the sum signal and the difference signal lead back to the same two detector signals. A disturbance in the difference signal, for example a change in the ambient light, automatically also leads to a disturbance in the sum signal, as a result of which this disturbance has a double effect. Finally, the shape and width of the sum signal is determined by the physical arrangement and dimensions of the detectors or detector groups, which also generate the differential signal. The position and width of the window signal can therefore not be tuned independently of and in a targeted manner to the difference signal, except by the threshold value for the sum signal. For example, it is desirable to make the window signal as narrow as possible. However, a corresponding design would also result in narrow detector signals that no longer overlap sufficiently to generate the necessary typical shape of the difference signal, which in such a case would have a saddle point instead of a steep edge.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung mindestens einer Referenzposition und ein Verfahren zur Erzeugung mindestens eines Referenzsignals anzugeben, bei denen die Probleme bzw. Einschränkungen der herkömmlichen Ansätze nicht bzw. zumindest in vermindertem Maße auftreten.The present invention is based on the object of specifying a position measuring device for detecting at least one reference position and a method for generating at least one reference signal in which the problems or limitations of the conventional approaches do not occur or at least occur to a lesser extent.
Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, nämlich mit wenigstens einer Signalquelle, die zum Aussenden eines Abtastungssignals ausgestaltet ist, wenigstens drei Detektoreinheiten, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, wobei die Detektoreinheiten jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke in Antwort auf das Abtastungssignal ausgehenden Antwortsignals ein Erfassungssignal auszugeben, wobei die Erfassungssignale voneinander unabhängig sind, und einer Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist, auf Basis zweier der drei Erfassungssignale ein Detektorsignal zu bestimmen und auf Basis des weiteren der drei Erfassungssignale ein Fenstersignal zu bestimmen oder das weitere der drei Erfassungssignale als Fenstersignal zu nutzen, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu ausgestaltet ist, die Position der Referenzmarke auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals zu bestimmen.According to the invention, according to a first aspect, a device for position determination by detecting at least one reference mark of a material measure is proposed, as defined in claim 1, namely with at least one signal source, which is designed to emit a scanning signal, at least three detector units, which are relatively offset from one another and arranged at a respective predetermined position relative to the signal source, the detector units each being configured to output a detection signal on the basis of a response signal emanating from the reference mark in response to the scanning signal, the detection signals being independent of one another, and a signal processing unit which is designed to determine a detector signal on the basis of two of the three detection signals and to determine a window signal on the basis of the other of the three detection signals or the other of the three detection signals le to use as a window signal, wherein the signal processing unit is further configured to determine the position of the reference mark based on the detector signal and the window signal.
Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung vorgeschlagen, wie es in Anspruch 16 definiert ist, nämlich mit den Schritten des Aussendens eines Abtastungssignals durch eine Signalquelle einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung, des Wechselwirkens des Abtastungssignals mit der Referenzmarke, so dass ein Antwortsignal vorliegt, des Detektierens des Antwortsignals durch wenigstens drei Detektoreinheiten, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, um ein jeweiliges Erfassungssignal an eine Signalverarbeitungseinheit auszugeben, des Bestimmens, durch die Signalverarbeitungseinheit, eines Detektorsignals auf Basis zweier der drei Erfassungssignale und eines Fenstersignals auf Basis des weiteren der drei Erfassungssignale bzw. Nutzung des weiteren der drei Erfassungssignale als das Fenstersignal, und des Bestimmens der Position der Referenzmarke auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals.According to the invention, according to a second aspect, a method for determining a position by detecting at least one reference mark of a material measure is proposed, as defined in claim 16, namely with the steps of emitting a scanning signal through a signal source of a device for determining the position, the interaction of the scanning signal with the reference mark so that a response signal is present, the detection of the response signal by at least three detector units, which are offset relative to one another along a measurement direction and are arranged at a respective predetermined position relative to the signal source, in order to output a respective detection signal to a signal processing unit, the determination by the signal processing unit , a detector signal based on two of the three detection signals and a window signal based on the other of the three detection signals or using the other of the three detection signals as the F window signal, and determining the position of the reference mark on the basis of the detector signal and the window signal.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zur Erzeugung eines Fenstersignals ein dritter Detektor verwendet wird, der ein drittes Detektorsignal erzeugt, so dass kein Summensignal erzeugt werden muss, wobei dieses dritte Detektorsignal infolge des separaten Detektors unabhängig von den Signalen der anderen Detektoren ist.One aspect of the present invention is that a third detector is used to generate a window signal, which generates a third detector signal so that no sum signal has to be generated, this third detector signal being independent of the signals from the other detectors as a result of the separate detector.
Ein Teil des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung findet sich in den folgenden Überlegungen.Part of the background to the present invention is found in the following considerations.
Wenn die Vorrichtung wenigstens drei Detektoreinheiten aufweist, die jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke in Antwort auf das Abtastungssignal ausgehenden Antwortsignals ein Erfassungssignal auszugeben, wobei die Erfassungssignale voneinander unabhängig sind, und eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist, auf Basis zweier der drei Erfassungssignale ein Detektorsignal zu bestimmen und ab Basis des weiteren der drei Erfassungssignale ein Fenstersignal zu bestimmen oder das weitere der drei Erfassungssignale als Fenstersignal zu nutzen, sowie die Position der Referenzmarke auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals zu bestimmen, kann das Fenstersignal unabhängig von dem Detektorsignal bestimmt werden. Dadurch ist das verwendete Fenstersignal nicht an das Differenzsignal gekoppelt, wodurch der Fehler zur Bestimmung des Fenstersignals verringert werden kann. Durch die Entkopplung des Fenstersignals vom Differenzsignal wird insbesondere eine unabhängige Einstellbarkeit und damit ein vergrößerter Einstellbereich sowie eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Signalstörungen beispielsweise durch Schwankungen des Umgebungslichts erzielt und die Nachteile des Standes der Technik überwunden. Dies führt zu einer Verbesserung der Auflösung der Positionsbestimmung.If the device has at least three detector units, each configured to output a detection signal based on a response signal emanating from the reference mark in response to the scanning signal, the detection signals being independent of one another, and a signal processing unit configured based on two of the three Detection signals to determine a detector signal and to determine a window signal based on the other of the three detection signals or to use the other of the three detection signals as a window signal, as well as to determine the position of the reference mark on the basis of the detector signal and the window signal, the window signal can be independent of the detector signal to be determined. As a result, the window signal used is not coupled to the difference signal, which means that the error in determining the window signal can be reduced. By decoupling the window signal from the differential signal, independent adjustability and thus an enlarged adjustment range as well as reduced sensitivity to signal interference, for example due to fluctuations in the ambient light, is achieved and the disadvantages of the prior art are overcome. This leads to an improvement in the resolution of the position determination.
Die vorliegende Erfindung kann es möglich machen, die Lage mindestens einer Referenzposition in Bezug zur hochaufgelösten inkrementellen Skala möglichst exakt zu bestimmen. Das bedeutet, dass das Referenzsignal sich nicht über mehr als eine Periode des inkrementellen Signals erstreckt. Dadurch wird ein Bezugspunkt für die hochaufgelöste inkrementelle Positionsmessung geschaffen und somit die Bestimmung einer absoluten Position ermöglicht. Hierzu müssen die Signale der Detektoren zur Erfassung der Referenzmarke einer exakten Periode der Signale der Detektoren zur Erfassung der inkrementellen periodischen Skala zugeordnet werden.The present invention can make it possible to determine the position of at least one reference position in relation to the high-resolution incremental scale as precisely as possible. This means that the reference signal does not extend over more than one period of the incremental signal. This creates a reference point for the high-resolution incremental position measurement and thus enables an absolute position to be determined. For this purpose, the signals from the detectors for detecting the reference mark must be assigned to an exact period of the signals from the detectors for detecting the incremental periodic scale.
Grundsätzlich ist aufgrund des Messprinzips die Erfassung der inkrementellen Relativbewegung der periodischen Skala mit einer sehr viel kleineren Auflösung möglich als die Erfassung einer Referenzmarkierung.In principle, due to the measuring principle, the incremental relative movement of the periodic scale can be recorded with a much lower resolution than the recording of a reference marking.
Es ist daher vorteilhaft, eine Lösung vorzustellen, durch die das Referenzsignal einer einzigen Periode des inkrementellen periodischen Signals zugeordnet werden kann, so dass die Absolutposition der Referenzmarke mit derselben Auflösung bestimmt werden kann wie die Relativposition.It is therefore advantageous to present a solution by which the reference signal can be associated with a single period of the incremental periodic signal, so that the absolute position of the reference mark can be determined with the same resolution as the relative position.
Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Signalquelle aufweist, die ein Abtastungssignal aussendet, wobei die wenigstens drei Detektoreinheiten so ausgestaltet sind, dass sie auf Basis des einen Abtastungssignal jeweils ein Antwortsignal erfassen. Alternativ kann die Vorrichtung auch mehr als eine, z.B. zwei oder drei Signalquellen, aufweisen, die mehr als ein, z.B. zwei oder drei, Abtastungssignale aussenden, wobei die wenigstens drei Detektoreinheiten so ausgestaltet sind, dass sie auf Basis der Abtastungssignale jeweils ein Antwortsignal erfassen und jeweils ein Erfassungssignal ausgeben, die unabhängig voneinander sind. Dabei ist es denkbar, dass z.B. im Fall von drei Signalquellen, jeweils ein Abtastungssignal einer Signalquelle jeweils als ein Antwortsignal von einer der mindestens drei Detektoreinheiten erfasst wird oder aber, dass eine Kombination von mehreren Abtastungssignalen der mehreren Signalquellen jeweils als ein Antwortsignal von den mindestens drei Detektoreinheiten erfasst wird, wobei die ausgegebenen Erfassungssignale der mindestens drei Detektoreinheiten unabhängig sind.It is preferred that the device has a signal source that emits a scanning signal, the at least three detector units being designed in such a way that they each detect a response signal on the basis of the one scanning signal. Alternatively, the device can also have more than one, e.g. two or three, signal sources that emit more than one, e.g. two or three, scanning signals, the at least three detector units being designed in such a way that they each detect a response signal on the basis of the scanning signals and each output a detection signal, which are independent of each other. It is conceivable that, e.g. in the case of three signal sources, a scanning signal from a signal source is detected as a response signal from one of the at least three detector units, or that a combination of multiple scanning signals from the multiple signal sources is detected as a response signal from the at least three Detector units is detected, the output detection signals of the at least three detector units are independent.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Signalquelle zum Aussenden eines elektromagnetischen Abtastungssignals, insbesondere eines optischen Abtastungssignals, zum Aussenden eines elektrischen Abtastungssignals und/oder zum Aussenden eines magnetischen Abtastungssignals ausgestaltet und die Detektoreinheiten sind zur Erfassung eines entsprechenden Antwortsignals ausgestaltet. Vorzugsweise weist das Abtastungssignal elektromagnetische Strahlung auf, wobei die Detektoreinheiten ausgestaltet sind, abhängig von einer Intensität der elektromagnetischen Strahlung ein Antwortsignal zu erfassen und ein Erfassungssignal auszugeben. Alternativ kann das Antwortsignal auch von anderen Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung abhängig sein, z.B. der Phase. Vorzugsweise weist das Abtastungssignal elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Spektrums auf. Zum Beispiel kann das Abtastungssignal weißes Licht umfassen, d.h. elektromagnetische Strahlung mit einer Vielzahl verschiedener Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Spektrums oder auch farbiges Licht, d.h. mit Wellenlängen aus einem kleinen Bereich des sichtbaren Spektrums. In diesen Fällen ist das Abtastungssignal ein optisches Abtastungssignal und die Detektoreinheiten sind vorzugsweise Photodioden, die abhängig von der Intensität des Lichts ein elektrisches Signal, z.B. einen elektrischen Strom, als Erfassungssignal ausgeben. Das Abtastungssignal kann auch elektromagnetische Strahlung aus anderen Bereichen des Spektrums aufweisen, wobei die Detektoreinheiten dann so ausgestaltet sind, dass sie abhängig von dem Wellenlängenbereich sensitiv für das Abtastungssignal sind, d.h. z.B. abhängig von der Intensität der Strahlung ein Antwortsignal erfassen und ein Erfassungssignal ausgeben. Zusätzlich oder alternativ zu einem optischen Abtastungssignal kann auch ein elektrisches oder magnetisches Signal als Abtastungssignal verwendet werden, wobei jeweils die Detektoreinheiten ausgestaltet sind, zusätzlich oder alternativ aus dem elektrischen oder magnetischen Signal ein Antwortsignal zu erfassen und ein Erfassungssignal auszugeben.In an advantageous configuration of one aspect of the invention, the signal source is designed to emit an electromagnetic scanning signal, in particular an optical scanning signal, to emit an electrical scanning signal and/or to emit a magnetic scanning signal, and the detector units are designed to detect a corresponding response signal. The scanning signal preferably has electromagnetic radiation, with the detector units being designed to detect a response signal and to output a detection signal as a function of an intensity of the electromagnetic radiation. Alternatively, the response signal can also depend on other properties of the electromagnetic radiation, for example the phase. Preferably, the scanning signal comprises electromagnetic radiation having wavelengths in the visible range of the spectrum. For example, the scanning signal may comprise white light, ie electromagnetic radiation having a variety of different wavelengths in the visible part of the spectrum, or colored light, ie having wavelengths from a small part of the visible spectrum. In these cases, the scanning signal is an optical scanning signal and the detector units are preferably photodiodes which, depending on the intensity of the light, emit an electrical signal, eg an electrical current, as a detection signal. The scanning signal can also have electromagnetic radiation from other areas of the spectrum, with the detector units then being designed in such a way that they are sensitive to the scanning signal depending on the wavelength range, ie for example detecting a response signal depending on the intensity of the radiation and detecting a detection output a signal. In addition or as an alternative to an optical scanning signal, an electrical or magnetic signal can also be used as the scanning signal, with the respective detector units being designed to additionally or alternatively detect a response signal from the electrical or magnetic signal and to output a detection signal.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die Signalquelle und die Detektoreinheiten relativ zueinander für ein Ausgehen des Antwortsignals von der Referenzmarke auf Basis des Abtastungssignals durch Transmission oder Reflektion angeordnet. Wenn ein Antwortsignal als Antwort auf ein von der Signalquelle ausgesendetes Abtastungssignal durch Transmission an der Referenzmarke eine Detektoreinheit erreicht, sind die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Abtastungssignal von der Signalquelle durch Transmission an der Referenzmarke direkt, d.h. in Ausbreitungsrichtung des Abtastungssignals von der Signalquelle zu den mindestens drei Detektoreinheiten gelangt. Wenn ein Antwortsignal als Antwort auf ein von der Signalquelle ausgesendetes Abtastungssignal durch Reflexion an der Referenzmarke eine Detektoreinheit erreicht, sind die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Abtastungssignal von der Signalquelle durch Reflexion an der Referenzmarke entgegen der Ausbreitungsrichtung des Abtastungssignals von der Signalquelle zu den mindestens drei Detektoreinheiten gelangt. In diesem Fall sind vorzugsweise die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten in einer Ebene relativ zueinander angeordnet. Auch eine Kombination von Reflexion und Transmission ist denkbar, indem ein Teil des Abtastungssignals von der Signalquelle durch Transmission direkt zu einer oder mehrerer Detektoreinheiten gelangt und ein Teil des Abtastungssignals durch Reflexion zu einer oder mehrerer Detektoreinheiten gelangt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten relativ zueinander für ein Ausgeben des Antwortsignals von der Referenzmarke auf Basis des Abtastungssignals durch Reflexion angeordnet, wobei weiter bevorzugt wird, dass die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten in einer Ebene angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass alle Einheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer Seite relativ zu einer Referenzmarke angeordnet werden können.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the signal source and the detector units are arranged relative to one another for the response signal to emanate from the reference mark on the basis of the scanning signal by transmission or reflection. If a response signal as a response to a scanning signal emitted by the signal source reaches a detector unit by transmission at the reference mark, the signal source and the at least three detector units are preferably designed in such a way that a scanning signal from the signal source is transmitted directly to the reference mark, i.e. in the direction of propagation of the Scanning signal from the signal source reaches the at least three detector units. If a response signal in response to a scanning signal emitted by the signal source reaches a detector unit through reflection at the reference mark, the signal source and the at least three detector units are preferably designed in such a way that a scanning signal from the signal source is reflected against the direction of propagation of the scanning signal from the reference mark the signal source reaches the at least three detector units. In this case, the signal source and the at least three detector units are preferably arranged in one plane relative to one another. A combination of reflection and transmission is also conceivable, in that part of the scanning signal from the signal source reaches one or more detector units directly by transmission and part of the scanning signal reaches one or more detector units by reflection. In a preferred embodiment, the signal source and the at least three detector units are arranged relative to one another for outputting the response signal from the reference mark on the basis of the scanning signal by reflection, it being further preferred that the signal source and the at least three detector units are arranged in one plane. This has the advantage that all units of the device according to the invention can be arranged on one side relative to a reference mark.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind zwei der drei Detektoreinheiten auf einer Linie angeordnet, die sich in der Messrichtung erstreckt, wobei die weitere der drei Detektoreinheiten gegenüber der Linie versetzt angeordnet ist.In a further advantageous embodiment of an aspect of the invention, two of the three detector units are arranged on a line that extends in the measuring direction, with the other of the three detector units being arranged offset with respect to the line.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist die Signalverarbeitungseinheit dazu ausgestaltet, das Detektorsignal auf Basis der Erfassungssignale der zwei der drei Detektoreinheiten und das Fenstersignal auf Basis des Erfassungssignals der weiteren der drei Detektoreinheiten zu bestimmen bzw. das Erfassungssignal der weiteren der drei Detektoreinheiten als das Fenstersignal zu nutzen. Diese Anordnung der zwei der drei Detektoreinheiten auf einer Linie hat den Vorteil, dass die zwei Detektoreinheiten bei relativer Bewegung der Vorrichtung in Messrichtung zwei identische Erfassungssignale ausgeben können und ein Detektorsignal auf Basis von zwei identischen Erfassungssignalen bestimmt werden kann. Zusätzlich kann dadurch, dass die weitere der drei Detektoreinheiten gegenüber der Linie versetzt angeordnet ist, das Erfassungssignal, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, unterschiedliche Eigenschaften haben als das Erfassungssignal, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird. Insbesondere können die zwei Detektoreinheiten so angeordnet sein, dass die zwei zugehörigen Erfassungssignale dafür ausgelegt sind, dass auf deren Basis ein Detektorsignal bestimmt wird und dass weiter die weitere Detektoreinheit so angeordnet ist, dass das zugehörige Erfassungssignal dafür ausgelegt ist, dass auf dessen Basis ein Fenstersignal bestimmt wird. Durch die Verwendung der weiteren Detektoreinheit kann somit über die Anordnung der Detektoreinheiten das jeweilige Erfassungssignal optimiert werden, so dass es entweder zur Bestimmung des Detektorsignals oder zur Bestimmung des Fenstersignals angepasst ist.In a preferred variant of the above embodiment, the signal processing unit is designed to determine the detector signal on the basis of the detection signals of the two of the three detector units and the window signal on the basis of the detection signal of the other three detector units or the detection signal of the other three detector units as the window signal to use. This arrangement of the two of the three detector units on a line has the advantage that the two detector units can output two identical detection signals when the device moves relative in the measuring direction and a detector signal can be determined on the basis of two identical detection signals. In addition, because the other of the three detector units is offset from the line, the detection signal on the basis of which the window signal is determined can have different properties than the detection signal on the basis of which the detector signal is determined. In particular, the two detector units can be arranged in such a way that the two associated detection signals are designed so that a detector signal is determined on the basis thereof, and that the further detector unit is arranged such that the associated detection signal is designed to generate a window signal on its basis is determined. By using the further detector unit, the respective detection signal can thus be optimized via the arrangement of the detector units, so that it is adapted either for determining the detector signal or for determining the window signal.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind zwei der drei Detektoreinheiten baugleich ausgestaltet und unterscheiden sich von der weiteren der drei Detektoreinheiten, insbesondere hinsichtlich ihrer Abmessungen. Auch hier ist bevorzugt, das Detektorsignal auf Basis der Erfassungssignale der zwei der drei Detektoreinheiten und das Fenstersignal auf Basis des Erfassungssignals der weiteren der drei Detektoreinheiten zu bestimmen bzw. das Erfassungssignal der weiteren der drei Detektoreinheiten als das Fenstersignal zu nutzen. Auch dieser Aspekt ermöglicht die bessere Anpassung der jeweiligen Erfassungssignale, zum Beispiel abhängig davon, ob sie zur Bestimmung des Detektorsignals oder zur Bestimmung des Fenstersignals verwendet werden. Zum Beispiel können die zwei Detektoreinheiten dieselbe Sensitivität für das Abtastungssignal bzw. das Antwortsignal aufweisen, die sich jedoch von der Sensitivität der weiteren Detektoreinheit unterscheidet. Es kann auch vorteilhaft sein, dass das Erfassungssignal der zwei Detektoreinheiten größer ist als der weiteren Detektoreinheit. Im Fall einer optischen Detektion kann dies realisiert werden, indem die Fläche der zwei Detektoreinheiten größer ist als die der weiteren Detektoreinheit. Auch die Form der Fläche der Detektoreinheiten kann unterschiedlich sein, wobei weiterhin bevorzugt ist, dass die Fläche der zwei Detektoreinheiten formgleich ist. Beispielsweise ist es gewünscht, das Fenstersignal möglichst schmal zu machen, was in dieser Ausführungsform durch eine entsprechende Abmessung der weiteren Detektoreinheit realisiert werden kann ohne das Detektorsignal zu verschmälern. Es ist aber auch denkbar, dass die zwei Detektoreinheiten, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird, oder auch die mindestens drei Detektoreinheiten, sich in Anordnung und Abmessung unterscheiden.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, two of the three detector units are of identical design and differ from the other of the three detector units, in particular with regard to their dimensions. It is also preferred here to determine the detector signal on the basis of the detection signals of the two of the three detector units and the window signal on the basis of the detection signal of the other three detector units or to use the detection signal of the other three detector units as the window signal. This aspect also enables the respective detection signals to be better adapted, for example depending on whether they are used to determine the detector signal or to determine the window signal. For example, the two detector units can have the same sensitivity for the scanning signal and the response signal, respectively, which, however, differs from the sensitivity of the further detector unit. It can also be advantageous for the detection signal of the two detector units to be greater than that of the further detector unit. In the case of an optical detection, this can be realized by the area of the two detector units being larger than that of the others detector unit. The shape of the surface of the detector units can also be different, it also being preferred that the surface of the two detector units is of the same shape. For example, it is desirable to make the window signal as narrow as possible, which can be implemented in this embodiment by appropriately dimensioning the additional detector unit without narrowing the detector signal. However, it is also conceivable that the two detector units, on the basis of which the detector signal is determined, or the at least three detector units, differ in arrangement and dimensions.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinheit ausgestaltet, ein Differenzsignal der zwei der drei Erfassungssignale mit einem ersten und einem zweiten Schwellwert zu vergleichen, um das Detektorsignal als ein verknüpftes Komparatorsignal zu bestimmen, wobei die Signalverarbeitungseinheit weiter ausgestaltet ist, das weitere der drei Erfassungssignale mit einem dritten Schwellwert zu vergleichen, um das Fenstersignal zu bestimmen. Durch den Vergleich von einem Signal mit einem Schwellwert können jeweils die Werte der Signale, die häufig eine Verteilung, z.B. eine Normalverteilung, von verschiedenen Werten aufweisen, geordnet werden danach, ob sie den jeweiligen Schwellwert unter- oder überschreiten. Zum Beispiel kann dadurch ein Signal, das durch eine Sinusfunktion beschrieben werden kann, in eine Rechteckfunktion mit zwei Pegeln, z.B. 0 und 1, umgerechnet werden. Das Signal kann sozusagen in ein digitales Signal umgewandelt werden. Im Fall der Berechnung einer Differenz von zwei Erfassungssignalen und dem darauffolgenden Vergleich mit zwei Schwellwerten kann auch eine Funktion mit drei Pegeln bestimmt werden. In einem solchen Fall können zwei der Pegel gleichgesetzt werden. Zum Beispiel ist ein Schwellwert T1 kleiner als ein Schwellwert T2. Dann werden alle Werte des Differenzsignals, die kleiner als T1 sind, einem Pegel 0 zugeordnet, alle Werte, die größer als T1 aber kleiner als T2 sind, einem Pegel 1 zugeordnet und alle Werte, die größer als T2 sind, ebenfalls dem Pegel 0 zugeordnet. Dadurch wird auch nach einem Vergleich des Differenzsignals der zwei Erfassungssignale mit einem ersten und einem zweiten Schwellwert ein rechteckförmiges Signal mit zwei Pegeln bestimmt. Dieses kann dann von der Signalverarbeitungseinheit als Detektorsignal, d.h. als verknüpftes Komparatorsignal verwendet werden, und zusammen mit dem Fenstersignal dazu verwendet werden, eine Position einer Referenzmarke zu bestimmen.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the signal processing unit is designed to compare a difference signal of the two of the three detection signals with a first and a second threshold value in order to determine the detector signal as a linked comparator signal, the signal processing unit being further designed to further of the three detection signals to a third threshold to determine the window signal. By comparing a signal with a threshold value, the values of the signals, which often have a distribution, e.g. a normal distribution, of different values, can be sorted according to whether they fall below or exceed the respective threshold value. For example, a signal that can be described by a sine function can be converted into a square-wave function with two levels, e.g. 0 and 1. The signal can be converted into a digital signal, so to speak. In the case of calculating a difference between two detection signals and then comparing them with two threshold values, a three-level function can also be determined. In such a case, two of the levels can be equated. For example, a threshold T1 is less than a threshold T2. Then all values of the difference signal which are smaller than T1 are assigned a level 0, all values which are larger than T1 but smaller than T2 are assigned a level 1 and all values which are larger than T2 are also assigned a level 0 . As a result, a square-wave signal with two levels is also determined after a comparison of the difference signal of the two detection signals with a first and a second threshold value. This can then be used by the signal processing unit as a detector signal, i.e. as a linked comparator signal, and used together with the window signal to determine a position of a reference mark.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die Signalquelle, die Detektoreinheiten und die Signalverarbeitungseinheit gemeinsam in einem Messkopf angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Bauteil bereitgestellt werden kann.In a further advantageous embodiment of an aspect of the invention, the signal source, the detector units and the signal processing unit are arranged together in a measuring head. This has the advantage that the device according to the invention can be provided in one component.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens drei zusätzlichen Detektoreinheiten auf, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, wobei die zusätzlichen Detektoreinheiten jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke in Antwort auf das Abtastungssignal ausgehenden Antwortsignals ein zusätzliches Erfassungssignal auszugeben, wobei die zusätzlichen Erfassungssignale voneinander unabhängig sind. Dies kann zum Beispiel von Vorteil sein, wenn eine Position von mehr als einer Referenzmarke bestimmt werden soll. In diesem Fall weist die Vorrichtung jeweils wenigstens drei Detektoreinheiten auf, um die Position von jeweils einer Referenzmarke zu bestimmen.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the device has at least three additional detector units, which are offset relative to one another along a measurement direction and are arranged at a respective predetermined position relative to the signal source, with the additional detector units each being configured on the basis of one of the Reference mark in response to the scanning signal outgoing response signal to output an additional detection signal, the additional detection signals are independent of each other. This can be an advantage, for example, if a position of more than one reference mark is to be determined. In this case, the device has at least three detector units in each case in order to determine the position of a reference mark in each case.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung Teil eines Systems, das ferner eine Maßverkörperung mit wenigstens einer Referenzmarke aufweist, wobei die Maßverkörperung und die Vorrichtung dazu ausgestaltet sind, dass die Vorrichtung mit einer der drei Detektoreinheiten oder einer weiteren Detektoreinheit bei einer relativen Bewegung von Vorrichtung und Maßverkörperung ein periodisches inkrementelles Signal erfasst. Die Bestimmung der Position der Referenzmarke der Maßverkörperung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht eine absolute Positionsbestimmung der Vorrichtung in Bezug auf die Maßverkörperung.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the device is part of a system that also has a measuring standard with at least one reference mark, the measuring standard and the device being designed such that the device is equipped with one of the three detector units or a further detector unit at one relative movement of the device and scale detects a periodic incremental signal. Determining the position of the reference mark of the material measure using the device according to the invention enables an absolute determination of the position of the device in relation to the material measure.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System ist das weitere der drei Erfassungssignale schmaler als eine Periode des inkrementellen Signals. Dies kann zum Beispiel durch geeignete Wahl der wenigstens drei Detektoreinheiten erreicht werden. Zum Beispiel können die Abmessung der Detektoreinheit, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, so gewählt werden, dass das zugehörige Erfassungssignal der Detektoreinheit schmaler als eine Periode des inkrementellen Signals ist. Darüber hinaus, insbesondere davon unabhängig, können die Detektoreinheiten, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird, gewählt werden, z.B. bezüglich deren Anordnung zu einander oder deren Abmessungen. Dadurch wird eine gewisse Einstellbarkeit der drei Erfassungssignale, insbesondere des Erfassungssignals, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, erreicht. Ein Erfassungssignal, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, wobei das Erfassungssignal schmaler als eine Periode des inkrementellen Signals ist, führt zu einer Positionsbestimmung der Referenzmarke mit einer verbesserten Auflösung, insbesondere derselben Auflösung, die bei der Vermessung der inkrementellen Skala erreicht werden kann.In an advantageous embodiment of an aspect of the invention relating to the proposed system, the further of the three detection signals is narrower than one period of the incremental signal. This can be achieved, for example, by suitably selecting the at least three detector units. For example, the dimension of the detector unit, on the basis of which the window signal is determined, can be chosen such that the associated detection signal of the detector unit is narrower than a period of the incremental signal. In addition, in particular independently of this, the detector units on the basis of which the detector signal is determined can be selected, for example with regard to their arrangement relative to one another or their dimensions. This achieves a certain adjustability of the three detection signals, in particular of the detection signal on the basis of which the window signal is determined. A detection signal, on the basis of which the window signal is determined, the detection signal being narrower than one period of the incremental signal, leads to a position determination of the reference mark with a improved resolution, particularly the same resolution that can be achieved when measuring the incremental scale.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System weist die Maßverkörperung ein periodisches Gitter oder eine periodische Skala auf.In a further advantageous embodiment of an aspect of the invention in relation to the proposed system, the material measure has a periodic grid or a periodic scale.
Das periodische Gitter oder die periodische Skala erlauben vorteilhafterweise eine hochauflösende Erzeugung bzw. Nutzung von Inkrementalsignalen, wobei dieses periodische Gitter oder die periodische Skala selbst nicht für das Dektionssignal oder das Fenstersignal genutzt werden.The periodic grating or the periodic scale advantageously allows high-resolution generation or use of incremental signals, with this periodic grating or the periodic scale itself not being used for the detection signal or the window signal.
In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung des Systems ist die wenigstens eine Referenzmarke gegenüber dem Gitter oder der Skala quer zur Messrichtung versetzt angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Erfassung des Gitters oder der Skala räumlich von der Erfassung der Referenzmarke getrennt werden kann. Dies kann zum Beispiel insofern genutzt werden, dass auch der Detektionsaufbau zur Erfassung des Gitters oder der Skala und der zur Erfassung der Referenzmarke einfach räumlich voneinander getrennt angeordnet werden kann.In a further preferred variant of the above configuration of the system, the at least one reference mark is offset relative to the grid or the scale transversely to the measuring direction. This has the advantage that the detection of the grid or the scale can be spatially separated from the detection of the reference mark. This can be used, for example, to the extent that the detection structure for detecting the grid or the scale and that for detecting the reference mark can also be arranged spatially separate from one another.
Werden mehrere Referenzmarken in Messrichtung verteilt vorgesehen, die als solche mehrere Referenzpositionen darstellen, ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass zum Referenzieren nicht so weit verfahren werden muss, so dass beispielsweise in kürzeren Messabständen eine Absolutposition bestimmt werden kann.If several reference marks are provided distributed in the measuring direction, which as such represent several reference positions, there is an advantage in that referencing does not have to be traversed so far, so that an absolute position can be determined at shorter measuring distances, for example.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Referenzmarken nacheinander detektiert werden. Die Referenzmarken selbst bilden hierbei allerdings kein periodisches Gitter im Sinne der Inkrementbestimmung.Within the scope of the present invention, several reference marks can also be detected one after the other. However, the reference marks themselves do not form a periodic grid in the sense of the increment determination.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass die mehreren Referenzmarken voneinander unterscheidbar ausgestaltet sind, etwa durch zusätzliche Markierungen in der Nähe der jeweiligen Referenzmarke oder auch durch Eigenschaften der Referenzmarken selbst. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass durch einen Eingriff bzw. eine Dateneingabe von Außen eine Unterscheidung ansonsten identisch ausgestalteter Referenzmarken erreicht wird.It can also be provided that the multiple reference marks are designed to be distinguishable from one another, for example by additional markings in the vicinity of the respective reference mark or by properties of the reference marks themselves. However, it can also be provided that an intervention or data input from the outside a distinction between otherwise identically designed reference marks is achieved.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System entspricht ein Abstand zwischen den zwei der drei Detektoreinheiten, deren Erfassungssignale zur Bestimmung des Detektorsignals genutzt werden, in Messrichtung einer einfachen bis zweifachen Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung. Dies führt zu einer besonders geeigneten Form des Detektionssignals.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention in relation to the proposed system, a distance between the two of the three detector units whose detection signals are used to determine the detector signal corresponds in the measuring direction to a one to twofold expansion of the reference mark in the measuring direction. This leads to a particularly suitable form of the detection signal.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System weist die Detektoreinheit, deren Erfassungssignal als Fenstersignal oder zur Bestimmung des Fenstersignals genutzt wird, in Messrichtung eine Abmessung auf, die einer halben bis einfachen Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung entspricht. Dies führt zu einer besonders geeigneten Form des Fenstersignals. Die Lage und Breite des Fenstersignals kann somit außer durch die Schwellwerte auch durch die Abmessung und Position der Detektoreinheit, die das Erfassungssignal ausgibt, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, gegenüber den zwei Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale ausgeben, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird, eingestellt werden. D.h. Eigenschaften wie Abmessungen und/oder Anordnungen der wenigstens drei Detektoreinheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können jeweils für das Fenstersignal und das Detektorsignal optimal gewählt werden.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention in relation to the proposed system, the detector unit, the detection signal of which is used as a window signal or for determining the window signal, has a dimension in the measuring direction that corresponds to a half to one extension of the reference mark in the measuring direction. This leads to a particularly suitable form of the window signal. The position and width of the window signal can thus be determined not only by the threshold values but also by the dimensions and position of the detector unit, which outputs the detection signal, on the basis of which the window signal is determined, relative to the two detector units that output the detection signals, on the basis of which the detector signal is determined will be discontinued. This means that properties such as dimensions and/or arrangements of the at least three detector units of the device according to the invention can be optimally selected for the window signal and the detector signal.
Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus der obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.Features of advantageous embodiments of the invention are defined in particular in the dependent claims, with further advantageous features, designs and configurations for the person skilled in the art also being inferred from the above explanation and the following discussion.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Maßverkörperung, -
2 eine schematische Darstellung von drei beispielhaften Erfassungssignalen, die von drei Detektoreinheiten ausgegeben werden, -
3 eine schematische Darstellung von einem beispielhaften Erfassungssignal und einem beispielhaften Differenzsignal, das von der Signalverarbeitungseinheit bestimmt wird, -
4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Komparatorsignals, das von der Signalverarbeitungseinheit bestimmt wird, -
5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltungsanordnung einer Signalverarbeitungseinheit und Detektoreinheiten gemäß der erfindungsmäßen Vorrichtung, -
6 eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Maßverkörperung des erfindungsgemäßen Systems, -
7 eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, -
8 eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und -
9 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung einer Referenzmarke.
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1 a schematic representation to illustrate a first exemplary embodiment of the system according to the invention with a device according to the invention and a material measure, -
2 a schematic representation of three exemplary detection signals that are output by three detector units, -
3 a schematic representation of an exemplary detection signal and an exemplary difference signal that is determined by the signal processing unit, -
4 a schematic representation of an exemplary comparator signal that is determined by the signal processing unit, -
5 a schematic representation of an exemplary circuit arrangement of a signal processing unit and detector units according to the device according to the invention, -
6 a schematic representation to illustrate a further exemplary embodiment of a material measure of the system according to the invention, -
7 a schematic representation to illustrate a further embodiment of the device according to the invention, -
8th a schematic representation to illustrate a further embodiment of the device according to the invention, and -
9 a schematic flowchart of an embodiment of the method according to the invention for determining the position of a reference mark.
In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.In the accompanying drawings and the explanations of such drawings, where appropriate, corresponding or related elements are designated by corresponding or similar reference characters, even though they may be found in different embodiments.
Das Abtastungssignal 300, das von der Signalquelle 110 ausgesendet wird, wird in dieser Ausführungsform von der inkrementellen Skala 210 reflektiert. Das reflektierte Signal gelangt zur Detektoranordnung 120, die bei relativer Bewegung der Maßverkörperung 200 und damit der inkrementellen Skala 210 zum Messkopf periodisch inkrementelle Signale erzeugt. Die Abbildung und Erzeugung der inkrementellen Signale sind beispielsweise in der Anmeldung
Das von der Referenzmarke 220 reflektierte Licht wird von drei Detektoreinheiten 130, 140, 150 in unterschiedlicher Stärke detektiert. Bei Bewegung der Maßverkörperung 200 in Messrichtung x überfährt die Referenzmarke 220 die Mittelpositionen der drei Detektoreinheiten 130, 140, 150 in Richtung x nacheinander. Die Stärke des jeweiligen Erfassungssignals ist dann am größten, wenn die Referenzmarke 220 genau an der jeweiligen Position xj der jeweiligen Detektoreinheit 130, 140, 150 ist. Jede Detektoreinheit 130, 140, 150 ist in dieser Ausführungsform jeweils mit einem Strom-Spannungs-Wandler 611, 612, 613 verbunden, die in
Wenn die Signalverarbeitungseinheit als Analog-Digital-Signalverarbeitungseinheit ausgestaltet ist, wie sie in
Die Schwellwerte T1, T2 der Komparatoren 631, 633 bestimmen die Lage des verknüpften Komparatorsignals 410 in Messrichtung x und damit auch die Lage bezüglich des inkrementellen periodischen Signals. Die Schwellwerte T1, T2 können im Betrieb eingestellt werden oder sie können voreingestellt sein. Weiterhin wird durch die Schwellwerte T1, T2 die Breite des mittleren Rechteckpulses im verknüpften Komparatorsignal 410 in Messrichtung x eingestellt und damit die exakte Lagebeziehung zu einer definierten Periode des inkrementellen periodischen Signals.The threshold values T1, T2 of the
Es wird deutlich, dass eine steile gerade Flanke im Differenzsignal D Voraussetzung ist für eine hinreichende Einstellbarkeit des verknüpften Komparatorsignals 410 mittels der Schwellwerte T1, T2. Die Signalform des Differenzsignals D wird hauptsächlich bestimmt durch die Breite und den Überlapp der Signale A und C, die wiederum bestimmt werden von der Ausdehnung und dem Abstand der zugehörigen Detektoreinheiten, in diesem Beispiel den Detektoreinheiten 130 und 150, in Messrichtung x sowie von der Breite der Referenzmarke 220 in Messrichtung x. Sind die Signale A und C beispielsweise zu schmal oder der Überlapp zu gering, so hat das Differenzsignal D einen Sattelpunkt. Sind die Signale A und C zu breit oder der Überlapp zu groß, hat das Differenzsignal D ebenfalls einen Sattelpunkt oder die Flankensteilheit ist nicht hinreichend.It becomes clear that a steep, straight edge in the difference signal D is a prerequisite for sufficient adjustability of the linked
Ausführungsbeispiele mit besonders vorteilhaften Verhältnissen der Abmessungen der Detektoren zur Referenzmarke sind weiter unten erläutert.Exemplary embodiments with particularly advantageous ratios of the dimensions of the detectors to the reference mark are explained further below.
Anhand von
Zusammengefasst ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Signal B durch eine dritte Detektoreinheit, z.B. der Detektoreinheit 140, erzeugt wird, so dass die Position und Breite in Messrichtung x unabhängig ist von den Signalen A und C, die z.B. von den Detektoreinheiten 130 und 150 erzeugt werden und die das Differenzsignal D ergeben, wodurch das Fenstersignal nicht an das zu fensternde Signal gekoppelt ist.In summary, the device according to the invention is characterized in that the signal B is generated by a third detector unit, e.g. the
In dem Ausführungsbeispiel in
Weiterhin ist die in
Auch lässt sich die Erfindung (Verfahren und Vorrichtung) auf Positionsmessgeräte anwenden, bei denen die Referenzmarke nicht auf einer separaten Spur angeordnet ist, wie es in
Überdies lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die eingangs erwähnten Vorrichtungen, bei denen sogenannte gechirpte Referenzmarken detektiert werden, anwenden. Dabei wird auf die Erzeugung eines Summensignals verzichtet und stattdessen wie beschrieben erfindungsgemäß ein Differenzsignal und ein hiervon unabhängiges Fenstersignal erzeugt.In addition, the method according to the invention can be applied to the devices mentioned at the outset, in which so-called chirped reference marks are detected. In this case, a sum signal is not generated and instead, as described, a difference signal and a window signal independent thereof are generated according to the invention.
Eine weitere Ausführungsform, in der als Abtastungssignal Licht verwendet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik oder Kollimationsoptik verwendet werden kann, um das Licht auf die Detektoren abzubilden.A further embodiment in which light is used as the scanning signal is characterized in that imaging optics or collimating optics can be used to image the light onto the detectors.
Ferner ist die Erfindung nicht auf Lichtquellen beschränkt, die einen Lichtkegel oder ein divergentes Strahlenbündel erzeugen. Weitere denkbare Ausführungen sind dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise unterschiedliche Lichtquellen verwendet werden, um die Referenzmarke und die inkrementelle Skala zu beaufschlagen, ein oder mehrere Elemente zur Aufspaltung des Lichts in mindestens zwei Teilstrahlbündel verwendet werden, eine Kollimationsoptik verwendet wird, um das Licht zu kollimieren, eine Lichtquelle mit stark kollimierter Abstrahlcharakteristik, insbesondere eine VECSEL oder ein Laser verwendet wird und/oder, wie es beispielsweise in der
Des Weiteren ist die Erfindung wie oben erwähnt nicht auf optische Positionsmesseinrichtungen beschränkt. Die Erfindung oder zumindest das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere anwendbar auf magnetische oder induktive Positionsmesseinrichtungen, bei denen magnetische oder elektrische Detektoren verwendet werden, um anstelle von Lichtsignalen elektrische oder magnetische Signale zu detektieren.Furthermore, as mentioned above, the invention is not limited to optical position measuring devices. The invention or at least the method according to the invention can be applied in particular to magnetic or inductive position measuring devices in which magnetic or electric detectors are used in order to detect electric or magnetic signals instead of light signals.
Insbesondere ist die Erfindung nicht auf eine einzelne Referenzposition beschränkt. Beispielsweise gibt es Maßverkörperungen mit mehreren abstandskodierten Referenzmarken in Messrichtung x. Dabei wird jede Referenzmarke nacheinander detektiert, wie oben für eine einzelne Referenzmarke beschrieben ist.In particular, the invention is not limited to a single reference position. For example, there are material measures with several distance-coded reference marks in the measuring direction x. Each reference mark is detected one after the other, as described above for an individual reference mark.
Des Weiteren ist ein erfindungsgemäßes System nicht auf die Anzahl von einer Referenzspur auf der Maßverkörperung beschränkt. Es kann zum Beispiel vorteilhaft sein, Maßverkörperungen mit zwei Referenzspuren zu verwenden, wie es in
Zudem ist auch die Anordnung und/oder Abmessung der Detektoreinheiten nicht auf die Anordnung, wie sie im Zusammenhang mit der Ausführungsform aus
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit können die Detektoreinheiten 130, 140, 150 auch als Detektorgruppen ausgeführt sein, die aus mehreren Detektorelementen bestehen oder bei denen mehrere Detektoren seriell zu jeweils einer Gruppe zusammengeschaltet werden.Without restricting generality, the
Zum Beispiel zeigt
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich durch geeignete Wahl der Breite und der Abstände der Detektoreinheiten in Messrichtung x. Der Überlapp der Erfassungssignale A und C und damit die Signalform D wird durch die Anordnung und Abmessungen der Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale A und C ausgeben, in Bezug zur Breite der Referenzmarke in Messrichtung x bestimmt. Wenn die Anordnung und Abmessung der Detektoreinheiten geeignet gewählt werden, hat die dort dargestellte Signalform eine gerade möglichst steile Flanke. Besonders vorteilhaft ist ein Abstand der Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale A und C ausgeben, in Messrichtung x, der der einfachen bis doppelten Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung x entspricht. Besonders vorteilhaft ist eine jeweilige Breite der Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale A und C ausgeben, in Messrichtung x, der der halben bis einfachen Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung x entspricht. Die Detektoreinheiten sind bevorzugt Dioden, insbesondere Photodioden, die sensitiv für das Abtastungssignal der Signalquelle sind.A further particularly advantageous embodiment results from a suitable selection of the width and the spacing of the detector units in the measuring direction x. The overlap of the detection signals A and C and thus the signal form D is determined by the arrangement and dimensions of the detector units that output the detection signals A and C in relation to the width of the reference mark in the measuring direction x. If the arrangement and dimensions of the detector units are selected appropriately, the signal form shown there has the steepest possible edge. A distance between the detector units, which emit the detection signals A and C, in the measuring direction x, which corresponds to one to twice the extent of the reference mark in the measuring direction x, is particularly advantageous. A particular advantage is a respective width of the detector units, which output the detection signals A and C, in the measuring direction x, which corresponds to half to one time the extension of the reference mark in the measuring direction x. The detector units are preferably diodes, in particular photodiodes, which are sensitive to the scanning signal of the signal source.
Die Erfassungssignale A und C sind diejenigen Signale, auf deren Basis das Detektorsignal bestimmt wird.The detection signals A and C are the signals on the basis of which the detector signal is determined.
Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutierten Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.Even if different aspects or features of the invention are shown in combination in the figures, for the person skilled in the art - unless otherwise stated - it is clear that the combinations shown and discussed are not the only possible ones. In particular, mutually corresponding units or complexes of features from different exemplary embodiments can be exchanged with one another.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung. Um eine Lösung vorzustellen, die eine Empfindlichkeit der Erfassung gegenüber Signalstörungen verringert, wird vorgeschlagen, die Positionsbestimmung basierend auf einem Detektorsignal und einem Fenstersignal durchzuführen, die auf mindestens drei Erfassungssignalen basieren, wobei auf Basis zweier der Erfassungssignale das Detektorsignal und auf Basis eines weiteren der Erfassungssignale das Fenstersignal bestimmt wird. Dadurch kann das Fenstersignal unabhängig von dem Detektorsignal bestimmt werden, was zu einer besseren Auflösung der Positionsbestimmung führt.The present invention relates to a device and a method for determining a position by detecting at least one reference mark of a material measure. In order to present a solution that reduces the sensitivity of the detection to signal interference, it is proposed to carry out the position determination based on a detector signal and a window signal, which are based on at least three detection signals, with the detector signal being based on two of the detection signals and the detection signals based on another one the window signal is determined. As a result, the window signal can be determined independently of the detector signal, which leads to better resolution of the position determination.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Vorrichtungcontraption
- 110110
- Signalquellesignal source
- 120, 121, 122120, 121, 122
- Detektoranordnungdetector array
- 130, 131, 132, 140, 141, 142, 150, 151, 152130, 131, 132, 140, 141, 142, 150, 151, 152
- Detektoreinheitdetector unit
- 160160
- Signalverarbeitungseinheitsignal processing unit
- 200200
- Maßverkörperungmaterial measure
- 210210
- inkrementelle Skalaincremental scale
- 220, 221, 222220, 221, 222
- Referenzmarkereference mark
- 300300
- Abtastungssignalscanning signal
- 301301
- Lichtsignallight signal
- 410410
- verknüpftes Komparatorsignallinked comparator signal
- 410.1410.1
- Referenzpulsreference pulse
- 420420
- Fenstersignalwindow signal
- 611, 612, 613611, 612, 613
- Strom-Spannungswandlercurrent-voltage converter
- 620620
- Schaltungselementcircuit element
- 631, 632, 633631, 632, 633
- Komparatorcomparator
- 641641
- erste Verknüpfungsstufefirst link level
- 642642
- zweite Verknüpfungsstufesecond link level
- A, B, CA, B, C
- Erfassungssignaldetection signal
- T1, T2, T3T1, T2, T3
- Schwellwertthreshold
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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