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Die Erfindung betrifft eine Abtasteinheit
zum Abtasten einer Maßverkörperung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Abtasteinheit dient
zum Abtasten einer Maßverkörperung
(z. B. in Form eines Maßstabes),
die eine durch eine Messteilung gebildete Codespur, insbesondere
in Form einer Inkrementalspur, sowie zusätzlich zu dieser Codespur eine
Referenzmarkenanordnung (Referenzspur) aufweist. Die Abtasteinheit
einerseits und die Maßverkörperung
andererseits werden an je einer von zwei zueinander beweglichen
Baugruppen angeordnet, deren Bewegung zueinander gemessen werden
soll. Hierbei kann es sich beispielsweise um den Schlitten und das
zugehörige
Bett einer Werkzeugmaschine handeln.
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Durch Abtastung einer Codespur in
Form einer durch eine periodische Strichteilung gebildeten Inkrementalspur
lässt sich
dabei das Ausmaß der Relativbewegung
der beiden Baugruppen zueinander ermitteln; es kann jedoch über große Längen keine
absolute Positionsinformation gewonnen werden. Um die Relativbewegung
der beiden Baugruppen zueinander auf einen definierten Bezugspunkt
beziehen zu können,
ist daher auf einer Maßverkörperung in
der Regel mindestens eine Referenzmarke vorgesehen, mit der eine
bestimmte Stelle auf der Maßverkörperung
charakterisiert ist.
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Zum Abtasten einer derartigen Maßverkörperung
weist die Abtasteinheit eine erste Detektoranordnung zum Abtasten
der (inkrementalen) Codespur sowie eine weitere Detektoranordnung
zum Abtasten der Referenzspur auf. Dabei kann allerdings das Problem
bestehen, insbesondere bei solchen Maßverkörperungen, die durch einen
sehr langen Maßstab
gebildet werden, dass es im Betrieb der Messeinrichtung teilweise
nicht möglich
ist, die Abtasteinheit bezüglich
der zugeordneten Maßverkörperung
in eine solche Position zu bringen, dass mit der Abtasteinheit die
Lage der Referenzmarke der Maßverkörperung
erfassbar ist, z.B. weil die Gefahr einer Kollision mit Maschinenteilen
besteht. Daher sind in Weiterentwicklung einer durch eine einzelne Referenzmarke
gebildeten Referenzspur Referenzmarkenanordnungen mit codierten
Referenzmarken entwickelt worden. Derartige Referenzmarkenanordnungen
weisen eine Vielzahl entlang der Messrichtung (Erstreckungsrichtung
der inkrementalen Codespur) hintereinander angeordneter Referenzmarken auf,
die jeweils eindeutig voneinander unterscheidbar sind. Jede dieser
Referenzmarken identifiziert demnach eindeutig eine bestimmte Stelle
auf der Maßverkörperung,
so dass eine Vielzahl Referenzpunkte als Bezugspunkte für die Position
der Abtasteinheit relativ zur Maßverkörperung zur Verfügung stehen.
Die Codierung der Referenzmarken kann dabei beispielsweise in der
Weise erfolgen, dass diese in unterschiedlichen Abständen hintereinander
angeordnet sind. Durch Überfahren
zweier Referenzmarken mittels der Abtasteinheit kann dann unter
Verwendung eines geeigneten Algorithmus die aktuelle (absolute)
Position der Abtasteinheit bezüglich
der Maßverkörperung
gewonnen werden.
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Es sind auch Messeinrichtungen bekannt, deren
Referenzspur sowohl einfache als auch codierte Referenzmarken aufweist,
wobei der jeweilige Benutzer frei wählen kann, ob er im Betrieb
der Messeinrichtung die einfachen oder die codierten Referenzmarken
verwendet. In diesem Fall weist die der Referenzspur zugeordnete
Detektoranordnung der Abtasteinheit zwei Sensoren auf, von denen
der eine den nicht codierten und der andere den codierten Referenzmarken
zugeordnet ist. Im Betrieb der Messeinrichtung wird wahlweise der
eine oder andere Sensor an einen elektrischen Verstärker angeschlossen,
dem die vom entsprechenden Sensor beim Abtasten der Maßverkörperung
empfangenen Signale als elektrische Signale zugeführt werden.
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Hinsichtlich weiterer Einzelheiten
zum Aufbau von Positionsmesssystemen, die durch eine Maßverkörperung
und eine zugeordnete Abtasteinheit gebildet werden, sei auf das
Fachbuch Digitale Längen-
und Winkelmesstechnik von Alfons Ernst, Verlag Moderne Industrie
(1998), Seiten 9 bis 38, verwiesen.
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Bei den vorstehend erläuterten
Messeinrichtungen besteht das Problem, dass elektrische Störungen,
die beispielsweise am Sensor oder an den Verbindungsleitungen zwischen
dem Sensor und dem nachgeschalteten elektrischen Verstärker wirken,
von einer dem Verstärker
nachgeordneten Auswerteeinheit (z. B. einer Maschinensteuerung) fälschlich
als Referenzimpulse gedeutet werden können. Dies führt zu Fehlern
in der Steuerung der entsprechenden Werkzeugmaschine und kann insbesondere
zum Maschinenstillstand führen.
Zur Störunterdrückung können die
Verstärker
zwar mit Tiefpassfiltern ausgelegt werden; dies führt jedoch
zu einer spürbaren
Verlangsamung des Verstärkers
und somit zu einer Reduzierung der zulässigen Verfahrgeschwindigkeit
der entsprechenden Messeinrichtung.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine
Abtasteinheit zum Abtasten einer Maßverkörperung einer Messeinrichtung
im Hinblick auf die Störempfindlichkeit
bei der Auswertung von Referenzimpulsen weiter zu verbessern.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
die Schaffung einer Abtasteinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Danach sind an der Abtasteinheit
zwei Sensoren vorgesehen, die jeder an einen Eingang eines Differenzverstärkers angeschlossen
sind, wobei der jeweils nicht zum Abtasten der Maßverkörperung verwendete
Sensor dadurch hinsichtlich der Abtastung der Maßverkörperung deaktiviert ist, dass
seine signalempfindliche Oberfläche
(mittels einer Abdeckung, z.B. in Form einer Blende) abgedeckt ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass
solche elektrischen Störungen,
die an dem jeweils aktiven (zur Abtastung der Maßverkörperung verwendeten) Sensor
oder den nachgeordneten elektrischen Leitungen wirken, im Differenzverstärker in
einfacher Weise dadurch eliminiert werden, dass die entsprechenden
Störungen
auch am zweiten (deaktivierten) Sensor bzw. dessen nachgeordneten elektrischen
Leitungen auftreten und im Differenzverstärker durch Subtraktion unterdrückt werden.
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Die Abtasteinheit kann insbesondere
zum Abtasten der Maßverkörperung
nach dem fotoelektrischen Messprinzip ausgebildet sein, so dass
die Detektoranordnungen der Abtasteinheit jeweils durch Fotoelemente,
insbesondere in Form von Fotodioden, gebildet werden.
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Um eine definierte Auswertung der
Referenzimpulse zu ermöglichen,
unabhängig
davon, welcher der beiden hierfür
vorgesehenen Sensoren zur Abtastung der Referenzspur verwendet wird,
ist ein erster Eingang des Differenzverstärkers stets für den zum
Abtasten der Maßverkörperung
verwendeten (aktiven) Sensor vorgesehen und der andere Eingang des
Differenzverstärkers
für den
deaktivierten bzw. funktionslosen (an seiner strahlungsempfindlichen
Oberfläche
abgedeckten) Sensor. Hierzu können
die beiden Sensoren derart mit den beiden Eingängen des Differenzverstärkers in
Verbindung stehen, dass der jeweils aktive Sensor vor den ersten Eingang
und der jeweils deaktivierte Sensor vor den anderen Eingang des
Differenzverstärkers
geschaltet ist. Bei dem ersten Eingang handelt es sich vorzugsweise
um den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers.
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Damit sich die elektrischen Störungen,
die im Differenzverstärker
kompensiert werden sollen, an beiden Sensoren in gleicher Weise
auswirken, sind die beiden Sensoren räumlich möglichst dicht beieinander angeordnet.
Darüber
hinaus bestehen die strahlungsempfindlichen Oberflächen der
beiden Sensoren aus dem gleichen Material oder zumindest aus zwei
hinsichtlich ihrer optischen und elektrischen (optoelektronischen)
Eigenschaften sehr ähnlichen Materialien
und weisen eine möglichst übereinstimmende
Größe auf.
Darüber
hinaus sind auch die elektrischen Zuleitungen von dem jeweiligen
Sensor zu den Eingängen
des Differenzverstärkers
möglichst übereinstimmend
ausgebildet, so dass auch in den Zuleitungen auftretende Störungen im
Differenzverstärker
kompensiert werden können.
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Gemäß einer Variante der Erfindung
dienen die beiden Sensoren der weiteren Detektoranordnung zur Abtastung
derselben Referenzmarken (eines Referenzmarkentypes) der Maßverkörperung.
In diesem Fall ist der zweite, deaktivierte Sensor ausschließlich aus
dem Grund vorgesehen, um am Differenzverstärker Störungen unterdrücken zu
können.
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Nach einer anderen Variante der Erfindung dienen
die beiden Sensoren der weiteren Detektoranordnung zur Abtastung
unterschiedlicher Referenzmarken der Referenzmarkenanordnung, insbesondere
einer der Sensoren zur Abtastung nichtcodierter und der andere zur
Abtastung codierter Referenzmarken. In diesem Fall sind die beiden
Sensoren schon deshalb vorhanden, um wahlweise die eine oder andere
Art Referenzmarken abtasten zu können.
Die beiden ohnehin vorhandenen Sensoren übernehmen dann zusätzlich noch
die Funktion der Unterdrückung
elektrischer Störungen
durch geeignete Verschaltung mit einem Differenzverstärker.
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Eine Messeinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Abtasteinheit
ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 14 charakterisiert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der Figuren deutlich werden.
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Es zeigen:
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1 einen
Maßstab
für ein
Längenmesssystem
mit einer Inkrementalspur und einer Referenzspur;
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2a eine
Abtasteinheit zum Abtasten des Maßstabs aus 1 nach dem fotoelektrischen Messprinzip
unter Verwendung zweier Fotodioden zum Abtasten der Referenzspur,
von denen eine im Bereich ihrer strahlungsempfindlichen Oberfläche abgedeckt
ist;
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2b die
Abtasteinheit aus 2a,
wobei die andere der beiden Fotodioden im Bereich ihrer strahlungsempfindlichen
Oberfläche
abgedeckt ist;
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3a eine
Schaltungsanordnung für
die beiden Fotodioden der Abtasteinheit aus 2a;
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3b eine
Schaltungsanordnung für
die beiden Fotodioden der Abtasteinheit aus 2b.
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1 zeigt
einen Maßstab
M für ein
fotoelektrisches Längenmesssystem,
der eine Codespur in Form einer durch eine periodische Strichstruktur gebildeten
Inkrementalteilung 1 sowie einer Referenzspur in Form einer
Mehrzahl abstandscodierter Referenzmarken C aufweist. Die Abstandscodierung der
Referenzmarken wird dadurch erreicht, dass zwei in Messrichtung
(Erstreckungsrichtung der Inkrementalteilung 1) hintereinander
angeordnete Referenzmarken C jeweils einen eindeutigen Abstand a aufweisen,
der sich von allen anderen Abständen zwischen
zwei Referenzmarken C unterscheidet.
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Bei Bedarf können auf dem Maßstab M
zusätzlich
zu den abstandscodierten Referenzmarken C noch weitere, nicht codierte
Referenzmarken vorgesehen seien, so dass wahlweise die codierten
oder die nicht codierten Referenzmarken zur Bildung von Referenzimpulsen
herangezogen werden können (Referenzspur
mit unterschiedlichen Referenzmarken-Mustern).
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2a zeigt
eine Abtasteinheit, mit der der in 1 dargestellte
Maßstab
M nach dem fotoelektrischen Messprinzip abtastbar ist. Bei dieser
Abtasteinheit sind auf einem Grundkörper 15 in Form einer
Platine und umgeben von einem Schutzrahmen 16 zwei Detektoranordnungen 10 bzw. 11, 12 vorgesehen,
mit denen einerseits die Inkrementalspur 1 und andererseits
die Referenzspur R des Maßstabs aus 1 fotoelektrisch abgetastet
werden kann.
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Die zum Abtasten der Inkrementalspur 1 vorgesehene
Detektoranordnung 10 besteht aus einer Mehrzahl Fotodioden,
die die im Durchlicht- oder Auflichtverfahren beleuchtete periodische
Strichstruktur der Inkrementalspur 1 abtasten und hierdurch
eine Relativbewegung der Abtasteinheit 1 bezüglich des Maßstabes
M erfassen können.
Hierdurch lassen sich Relativbewegungen der Abtasteinheit 1 relativ zu
dem Maßstab
M entlang der Messrichtung (Erstreckungsrichtung der Inkrementalspur 1)
sehr genau bestimmen.
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Um diese Relativbewegungen auf einen
Bezugs- bzw. Referenzpunkt beziehen zu können, wird mittels der weiteren
Detektoranordnung 11, 12, vergl. 2b, die Referenzspur R des Maßstabs M
abgetastet. Die weitere Detektoranordnung besteht aus zwei Fotodioden 11 und 12,
die innerhalb des Schutzrahmens 16 unmittelbar nebeneinander
angeordnet sind und deren strahlungsempfindliche Oberflächen 11a, 12a aus
demselben Material bestehen und außerdem dieselbe Fläche aufweisen.
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Zur Abtastung der Referenzspur R
des Maßstabs
M aus 1 kann wahlweise
die eine oder andere Fotodiode 11, 12 verwendet
werden. Die jeweils nicht zum Abtasten verwendete Fotodiode wird
mittels einer Blende 13 abgedeckt, die in den Schutzrahmen 15 integriert
und an diesem verschieblich geführt
sein kann, so dass sie wahlweise vor die strahlungsempfindliche
Oberfläche 11a der
einen Fotodiode 11 (2b)
oder die strahlungsempfindliche Oberfläche 12a der anderen
Fotodiode 12 (2a) geführt werden
kann. Alternativ kann eine Blende 13 wahlweise auf die
jeweils nicht zum Abtasten verwendete Fotodiode gesteckt werden,
wobei insbesondere zwei separate Blenden 13 vorgesehen
sein können,
die jeweils einer der beiden Fotodioden 11, 12 zugeordnet
sind und von denen jeweils eine auf die zugeordnete (nicht zum Abtasten
verwendete) Fotodiode 11 oder 12 gesteckt ist.
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Sofern die Referenzspur R des Maßstabs M, wie
in 1 dargestellt, nur
aus abstandscodierten Referenzmarken C besteht, dient die jeweils
aktivierte (nicht abgedeckte) Fotodiode 11 oder 12 stets
zum Abtasten dieser codierten Referenzmarken C. In diesem Fall ist
es nicht erforderlich, die Blende 13 wahlweise vor die
strahlungsempfindliche Oberfläche 11a, 12a der
einen oder anderen Fotodiode 11, 12 bewegen zu
können.
In diesem Fall könnte
auch eine der beiden Fotodioden 11, 12 dauerhaft
mittels der Blende 13 abgedeckt sein, so dass stets die
anderen der beiden Fotodioden 11, 12 zum Abtasten
der Referenzspur R diente.
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Falls die Referenzspur R neben den
in 1 dargestellten codierten
Referenzmarken C zusätzlich mindestens
eine nichtcodierte Referenzmarke aufweist, so ist die eine Fotodiode 11 den
codierten Referenzmarken und die andere Fotodiode 12 den nichtcodierten
Referenzmarken zugeordnet. In diesem Fall wird mit einer Blende 13 wahlweise
die eine Fotodiode oder die andere Fotodiode abgedeckt, wie in den 2a und 2b dargestellt, wobei stets diejenige
Fotodiode 11 oder 12 eine nicht abgedeckte strahlungsempfindliche
Oberfläche 11a bzw. 12a aufweist, die
zur Abtastung der zugeordneten Referenzmarken aktiv sein soll. D.
h., in Abhängigkeit
davon, ob die eine oder andere Art Referenzmarken der Referenzspur
abgetastet werden soll, wird eine der beiden Fotodioden 11, 12 mit
einer zugeordneten Blende 13 abgedeckt.
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Der Begriff Referenzspur ist dabei
nicht so zu verstehen, dass die Referenzmarken vom einen und anderen
Typ (codierte und nichtcodierte Referenzmarken) zwingend in Messrichtung
(Erstreckungsrichtung der Inkrementalspur 1) hintereinander
angeordnet sein müssten.
Vielmehr können
die zusätzlichen,
nichtcodierten Referenzmarken grundsätzlich an beliebiger Stelle
auf dem Maßstab
angeordnet sein, z. B. auch quer zur Erstreckungsrichtung der Inkrementalspur 1 neben
den codierten Referenzmarken C. Der Begriff Referenzspur fasst demzufolge alle
Referenzmarken der Messteilung zusammen, unabhängig davon, wie diese auf dem
Maßstab
angeordnet sind.
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Unabhängig davon, welche der beiden
Fotodioden 11, 12 zum Abtasten der Referenzspur
R verwendet wird und welche der beiden Fotodioden 11, 12 durch
Abdecken ihrer strahlungsempfindlichen Oberfläche 11a bzw. 12a mittels
der Blende 13 deaktiviert ist, sind stets beide Fotodioden 11, 12 an
die Eingänge
eines Differenzverstärkers 2 angeschlossen,
wie in den 3a und 3b dargestellt. 3a zeigt dabei die Verschaltung
der beiden Fotodioden 11, 12 in dem Fall, in dem
die erste Fotodiode 11 aktiv und die zweite Fotodiode 12 abgedeckt
und damit hinsichtlich der Abtastung funktionslos ist; und 3b zeigt den umgekehrten
Fall, in dem die erste Fotodiode 11 abgedeckt und damit
hinsichtlich der Abtastung funktionslos und die zweite Fotodiode 12 aktiv
ist.
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Wie anhand der 3a und 3b deutlich
wird, sind die beiden Fotodioden 11, 12 jeweils über eine elektrische
Leitung 31 bzw. 32 mit beiden Eingängen 21, 22 des
Differenzverstärkers 2 verbunden.
Dazu verzweigen sich die beiden elektrischen Leitungen 31, 32 derart,
dass jede der beiden Fotodioden 11, 12 über den
einen Zweig 311 bzw. 321 der zugeordneten elektrischen
Leitung 31, 32 mit dem einen Eingang 21 und über den
anderen Zweig 312 bzw. 322 der jeweiligen elektrischen
Leitung 31 bzw. 32 mit dem zweiten Eingang 22 des
Differenzverstärkers verbunden
ist. Hierbei weisen die vier Zweige 311, 312, 321, 322 der
beiden elektrischen Leitungen 31, 32 jeweils eine
Leitungsunterbrechung auf, so dass der entsprechende Zweig der jeweiligen
elektrischen Leitung nur dann eine Verbindung mit dem zugehörigen Eingang
des Differenzverstärkers 2 herstellt, wenn
diese Unterbrechung durch ein geeignetes elektrisches Bauelement,
hier repräsentiert
durch einen 0-ohmigen Widerstand 36 bzw. 37, überbrückt worden
ist (durch 0-ohmige Widerstände
repräsentierte
Lötbrücken 36, 37).
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In dem in 3a dargestellten Zustand, der der in 2a dargestellten Anordnung
entspricht, ist die erste, aktive Fotodiode 11 über den
ersten Zweig 311 ihrer ausgangsseitigen elektrischen Leitung 31 mit
dem invertierenden Eingang 21 des Differenzverstärkers 2 verbunden.
Umgekehrt ist die deaktivierte, abgeblendete zweite Diode 12 ausgangsseitig über den
zweiten Zweig 322 ihrer ausgangsseitigen elektrischen Leitung 32 mit
dem zweiten, nichtinvertierenden Eingang 22 des Differenzverstärkers 2 verbunden.
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In dem in 3b gezeigten Zustand, der der in 2b dargestellten Anordnung
entspricht, ist umgekehrt die erste, in diesem Fall abgeblendete
und dadurch funktionslose Fotodiode 11 über den entsprechenden Zweig 312 ihrer
ausgangsseitigen elektrischen Leitung 31 mit dem zweiten,
nichtinvertierenden Eingang 22 des Differenzverstärkers 2 verbunden;
und die zweite, in diesem Fall aktive Fotodiode 12 ist über den
entsprechenden Zweig 321 ihrer ausgangsseitigen elektrischen
Verbindungsleitung 32 an den ersten, invertierenden Eingang 21 des
Differenzverstärkers 2 geschaltet.
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Somit wird erreicht, dass jeweils
die aktive, zum Abtasten der Referenzspur R verwendete Fotodiode
an den invertierenden Eingang und die andere Fotodiode an den nichtinvertierenden
Eingang des Differenzverstärkers
geschaltet ist. Dabei sind die beiden Zuleitungen 31, 32 in
ihrem Aufbau identisch und weisen die gleiche Länge zwischen der jeweiligen
Fotodiode 11, 12 und dem jeweiligen Eingang 21, 22 des
Differenzverstärkers 2 auf,
unabhängig davon,
welcher der beiden Zweige 311, 312 bzw. 321, 322 der
jeweiligen elektrischen Verbindungsleitung 31, 32 mit
einem Element 36, 37 zur Überbrückung der Leitungsunterbrechung
bestückt
ist.
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Im Ergebnis werden bei der in den 2a und 2b gezeigten Abtasteinheit und der in 3a bzw. 3b dargestellten zugehörigen Schaltungsanordnung
(zum Verbinden der Fotodioden 11, 12 mit jeweils
einem Eingang eines Differenzverstärkers 2) an den Fotodioden 11, 12 und
den Verbindungsleitungen 31, 32 auftretende elektrische
Störungen
durch Differenzbildung im Verstärker 2,
nämlich
durch Bildung der Differenz zwischen den von den beiden Fotodioden 11, 12 erzeugten
Stromsignalen, unterdrückt.
Aufgrund der übereinstimmenden
Ausbildung sowohl der beiden Fotodioden 11, 12 als
auch der zugehörigen
elektrischen Verbindungsleitungen 31, 32 sowie
der räumlichen
Anordnung dieser elektrischen Baugruppen in unmittelbarer Nachbarschaft
funktioniert diese Unterdrückung
elektrischer Störungen
unabhängig
davon, ob die entsprechenden Störungen an
den Fotodioden 11, 12 auftreten oder in den elektrischen
Verbindungsleitungen 31, 32 zwischen den Fotodioden 11, 12 und
den Eingängen 21, 22 des
Differenzverstärkers 2 (Takt-
und Gegentakteingang des Verstärkers 2).
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Hierdurch wird vermieden, dass auf
die Fotodioden 11, 12 oder auf die elektrischen
Leitungen 31, 32 wirkende und im Verstärker 2 verstärkte elektrische
Störungen
von der dem Verstärker 2 nachgeschalteten
Auswerteeinheit (Maschinensteuerung) fälschlich als Referenzimpulse
interpretiert werden. Mit der anhand der 1 bis 3b beschriebenen
Anordnung wird durch den jeweils abgeblendeten, deaktivierten Sensor
und die nachgeordnete elektrische Leitung eine Gegentakteinkopplung
und -übertragung
für auftretende
elektrische Störungen
erreicht, wobei die elektrischen Signalwege für Takt und Gegentakt aufgrund
der übereinstimmenden Ausbildung
der beiden Fotodioden 11, 12 und der Verbindungsleitungen 31, 32 übereinstimmen,
so dass elektrische Störungen
an beiden Signalwegen gleichmäßig wirken
und im Differenzverstärker 2 umfassend
unterdrückt
werden können.