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Die
Erfindung betrifft eine Messteilung für eine Positionsmesseinrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine
derartige Messteilung umfasst eine Vielzahl entlang einer Messrichtung
hintereinander angeordneter länglicher
Teilungsstriche, die sich jeweils mit einer bestimmten Länge winkelig,
insbesondere rechtwinkelig, zur Messteilung erstrecken, und die
jeweils eine bestimmte Breite senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung
aufweisen.
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Eine
derartige Messteilung ist an einem so genannten Teilungsträger, z.B.
zur Bildung eines Maßstabes,
ausgebildet bzw. angeordnet und wird an einem von zwei zueinander
beweglichen Bauteilen angebracht, deren Position mittels der Positionsmesseinrichtung
bestimmt werden soll. An dem anderen der beiden zueinander beweglichen
Bauteile ist eine Abtasteinrichtung des Positionsmesssystems angebracht,
so dass sich durch Abtastung der Messteilung mittels der Abtasteinrichtung
die Position des einen Bauteils bezüglich des anderen Bauteils
ermitteln lässt.
Zur Abtastung der Messteilung eignet sich beispielsweise das photoelektrische
Messprinzip.
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Die
Messteilung kann z.B. als eine Inkrementalteilung ausgebildet sein,
die aus einer Mehrzahl periodisch (äquidistant) hintereinander
angeordneter Teilungsstriche besteht, so dass aus deren Abtastung
mittels der Abtasteinrichtung (relative) Positionsinformation hinsichtlich
der Änderung
der Lage des einen Bauteils bezüglich
des anderen Bauteils gewonnen werden kann.
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Für den Einsatz
in Werkzeugmaschinen, wobei die beiden Bauteile beispielsweise durch
das Bett und den Schlitten einer Werkzeugmaschine gebildet werden,
ist eine hohe Präzision
der Positionsmesseinrichtung von großer Bedeutung. Das gilt insbesondere
für die
Messteilung, die entlang der Messrichtung über ihre gesamte Länge präzise Positionsinformation
enthalten muss. Daher besteht die Gefahr, dass hochpräzise Messteilungen
von dritten unbefugt als Kopiervorlagen für die Herstellung weiterer Messteilungen
verwendet werden. Um dies zu verhindern, können auf einer Messteilung
Markierungen vorgesehen sein, die als Kopierschutz beispielsweise unter
Bildung eines Logos (einer Firma, eines Firmenschlagwortes, eines
Geschäftsabzeichens,
einer Marke oder dergl.) einen Hinweis auf den Hersteller der Original-Messteilung
geben. Hierdurch können unberechtigt
hergestellte Kopien von Messteilungen als solche identifiziert werden.
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Hierbei
besteht jedoch das Problem, dass durch die Modifikation der Messteilung
Signalschwankungen bei der Abtastung der Messteilung mittels der
zugeordneten Abtasteinrichtung auftreten, die wiederum zu Messfehlern
führen
hönnen.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Messteilung der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei der der durch Markierungen in Form von
Modifikationen der Teilungsstriche gebildete Kopierschutz im Gebrauch
der Positionsmesseinrichtung zu keiner Beeinträchtigung des Abtastsignals führt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Schaffung einer Messteilung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Danach
ist auf der Messteilung eine Mehrzahl Markierungen vorgesehen, wobei
die einzelnen Markierungen durch eine Modifikation der Form, nämlich der
Breite, eines jeweiligen Teilungsstriches in einem Teilbereich des
entsprechenden Teilungsstriches gebildet werden und wobei die Teilbereiche, in
denen die Teilungsstriche eine modifizierte Breite aufweisen, jeweils
nur eine solch geringe Länge
aufweisen, dass jene Markierungen in ihrer Gesamtheit keine wesentlich
(substanzielle) Beeinträchtigung des
Abtastsignals bewirken, welches bei Abtastung der Messteilung erzeugt
wird.
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Die
Intensität
des durch die Markierungen beeinflussten Abtastsignals soll dabei
um maximal 5% von der Intensität
des ungestörten
Abtastsignals (welches bei Abtastung einer ansonsten identischen Messteilung – jedoch
ohne Modifikation der Breite der Teilungsstriche – als Bestandteil
einer Positionsmesseinrichtung mittels der Abtasteinheit der Positionsmesseinrichtung
erzeugt würde)
abweichen, damit die Abweichung nicht als substanziell angesehen wird
und die Funktion der Messteilung bzw. der entsprechenden Positionsmesseinrichtung
nicht wesentlich beeinträchtigt
wird.
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Die
einzelnen Markierungen der Messteilung, die zur Bildung eines Kopierschutzes
dienen, werden also jeweils durch Teilbereiche der Teilungsstriche
gebildet, in denen die Teilungsstriche eine Verdickung (also eine
größere Breite
als in den übrigen
Bereichen) oder eine Einschnürung
(also eine geringere Breite als in den übrigen Bereichen) aufweisen.
Entscheidend ist dabei, dass diese Teilbereiche, in denen die Breite
der Teilungsstriche modifiziert ist, entlang der Erstreckungsrichtung
der Teilungsstriche eine so geringe Ausdehnung aufweisen, dass alle
Markierungen in ihrer Gesamtheit nicht zu einer substantiellen Störung des
erzeugten Abtastsignals führen.
Dies kann zur Folge haben, dass die als Kopierschutz dienenden Markierungen
von einem Menschen nicht mit dem bloßen Auge, sondern nur mit Hilfe
einer Lupe oder eines Mikroskops deutlich erkennbar sind. In jedem
Fall müssen
die Markierungen in irgendeiner Form lesbar bzw. auslesbar sein, um
als Kopierschutz dienen zu können.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht nur bei Messteilungen in Form linearer
Maßstäbe anwendbar
sondern auch bei Teilscheiben für
Winkelmesssysteme. Im letztgenannten Fall erstreckt sich die Messrichtung
entlang eines Kreisbogens und nicht entlang einer Geraden. Zudem
weisen die Teilungsstriche bei einer Teilscheibe für ein Winkelmesssystem
eine geringfügige Änderung
der Breite in radialer Richtung auf. Denn die Breite der Teilungsstriche
ist konstruktionsbedingt am äußeren Rand
der Teilungsscheibe geringer als am inneren, dem Mittelpunkt der Teilungsscheibe
zugewandten Rand. Diese kontinuierliche Änderung der Breite eines Teilungsstriches vom
inneren Rand zum äußeren Rand
einer Teilungsscheibe bildet jedoch keine Markierung im Sinne der
vorliegenden Erfindung, die durch eine Modifikation der Form einzelner
Teilungsstriche in einem Teilbereich gebildet wird. Denn die (äußerst geringfügige) Zunahme
der Breite der Teilungsstriche vom inneren Rand zum äußeren Rand
einer Teilungsscheibe ist bei allen Teilungsstrichen der entsprechenden Teilungsscheibe
gleichermaßen
vorgesehen. Es handelt sich somit nicht um eine Markierung im Sinne
der vorliegenden Erfindung, durch die auf der Messteilung ein Kopierschutz,
z.B. in Form eines Musters, erzeugbar ist, der auf den Hersteller
der entsprechenden Messteilung hinweist.
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Um
sicherzustellen, dass keine substantielle Beeinflussung des Abtastsignals
(also des von der Abtasteinrichtung bei der Abtastung der Messteilung erzeugten
Ausgangssignals) erfolgt, beträgt
die Länge
einer Markierung, also die Länge
eines jeweiligen Teilbereichs, in dem die Breite eines Teilungsstriches kleiner
oder größer ist
als in den übrigen
Bereichen, höchstens
sechs Prozent, vorzugsweise höchstens vier
Prozent und insbesondere zwischen zwei Prozent und vier Prozent
der Länge
eines jeweiligen Teilungsstriches, wobei die einzelnen Teilungsstriche bevorzugt
eine übereinstimmende
Länge aufweisen.
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Ein
weiteres Kriterium für
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gestattete Länge der
den Kopierschutz bildenden Markierungen lässt sich dadurch definieren,
dass nicht die Länge
der einzelnen Markierungen betrachtet wird, sondern vielmehr die Gesamtlänge der
Markierungen über
einen bestimmten Abschnitt der Messteilung. Denn für die Frage,
ob die Modifikation der Breite der Teilungsstriche zur Bildung der
besagten Markierungen zu einer substantiellen Beeinflussung des
Abtastsignals führt
oder nicht, ist vor allem die Gesamtlänge aller Markierungen in einem
solchen Abschnitt der Messteilung von Bedeutung, der bei der Abtastung
der Messteilung durch die Abtasteinrichtung als Ganzes erfasst wird.
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In
vielen Fällen
entspricht die Ausdehnung (in Messrichtung) des von der Abtasteinrichtung
erfassten Abtastbereiches der Messteilung in etwa der Länge der
einzelnen Teilungsstriche; der Abtastbereich ist dann also in etwa
quadratisch. In diesem Fall soll die Summe der Länge aller einzelnen Markierungen
in einem Abschnitt der Messteilung, dessen Ausdehnung in Messrichtung
der Länge
der Teilungsstriche entspricht, maximal sechs Prozent, vorzugsweise
maximal vier Prozent, der Summe der Länge aller Teilungsstriche in
dem besagten Abschnitt der Messteilung betragen.
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Die
Markierungen benachbarter Teilungsstriche können entlang der Messrichtung
der Messteilung nebeneinander oder auch zueinander versetzt angeordnet
sein, so dass durch die Markierungen mindestens eine Linie, z.B.
in Form einer Geraden oder einer gekrümmten Linie, gebildet wird,
die sich auf der Messteilung über
eine Mehrzahl von Teilungsstrichen erstreckt und dabei senkrecht
oder geneigt zu der Erstreckungsrichtung der einzelnen Teilungsstriche
verläuft.
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Die
Linien bzw. Geraden können
einen oder mehrere Schriftzüge
bilden, die auf den Hersteller der Messteilung hinweisen.
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Eine
Positionsmesseinrichtung mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Messteilung
ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 20 charakterisiert.
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Hierbei
beträgt
die Gesamtlänge
der Markierungen in jedem Abtastbereich, der von der Abtasteinrichtung
bei der Durchführung
einer Messung als zusammenhängender
Bereich erfasst werden kann, höchstens
sechs Prozent, vorzugsweise höchstens vier
Prozent, der Gesamtlänge
aller Teilungsstriche in dem Abtastbereich. Der Abtastbereich ist
dabei definiert als ein Abschnitt der Messteilung mit einer derartigen
Ausdehnung entlang der Erstreckungsrichtung der Messteilung, dass
er einem Bereich der Messteilung von einer Größe entspricht, der von der Abtasteinrichtung
bei der Abtastung der Messteilung als Ganzes erfasst werden kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren deutlich werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Positionsmesseinrichtung mit einer
Messteilung und einer Abtasteinrichtung zum Abtasten der Messteilung;
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2 eine
Ansicht einer Messteilung für
eine Positionsmesseinrichtung gemäß 1, die Markierungen
als Kopierschutz aufweist;
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2a einen
vergrößerten Ausschnitt
der Messteilung aus 2.
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In 1 ist
schematisch eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Lage
zweier zueinander beweglicher Bauteile in Form von Maschinenteilen
dargestellt, bei denen es sich beispielsweise um das Bett und den
Schlitten einer Werkzeugmaschine handeln kann. Die Positionsmesseinrichtung weist
einen Maßstab
S auf, der durch einen Teilungsträger T mit einer darauf angeordneten
Messteilung M gebildet wird, sowie eine Abtasteinrichtung A zum photoelektrischen
Abtasten der Messteilung M. Die Abtasteinrichtung A umfasst in bekannter
Weise eine (Halbleiter-)Lichtquelle L sowie im Strahlengang des von
der Lichtquelle erzeugten Lichtes eine Kondensorlinse K und eine
Abtastplatte P, die zwischen der Lichtquelle L und der Messteilung
M angeordnet sind. Das von der Lichtquelle L erzeugte Licht wird
mittels der Kondensorlinse K parallelisiert und als kollimiertes
Lichtbündel
zunächst
der (lichtdurchlässigen)
Abtastplatte P und dann der Messteilung T des Maßstabes S zugeführt. Das
Licht wird an der mit der Messteilung M versehenen Oberfläche des
Maßstabs
S reflektiert und gelangt nach erneuter Wechselwirkung mit der Abtastplatte
P zu einem durch eine Photodiodenanordnung D gebildeten Empfänger der
Abtasteinrichtung A. Es handelt sich hierbei um eine Abtastung der
Messteilung M im Auflichtverfahren, wobei das von der Messteilung
M reflektierte Licht der strahlungsempfindlichen Oberfläche der
Photodiodenanordnung D empfangen wird. Die Photodiodenanordnung
D erzeugt ein Ausgangssignal (Abtastsignal), das charakteristisch
für die
Intensität
und räumliche
Verteilung des auf die strahlungsempfindliche Oberfläche O auftreffenden,
an der Messteilung M reflektierten Lichtes ist.
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Der
Maßstab
S einerseits und die Abtasteinrichtung A andererseits werden an
je einem der beiden oben genannten Maschinenteile befestigt, so dass
das Ausmaß jeder
Bewegung der beiden Maschinenteile zueinander durch Abtastung der
Messteilung M des Maßstabes
S mittels der Abtasteinrichtung A ermittelt werden kann. Derartige
Positionsmesseinrichtungen sind allgemein bekannt, vergl. Alfons
Ernst, Digitale Längen- und Winkelmesstechnik, verlag
moderne industrie, Landesberg/Lech (1998), so dass hier keine weitergehende
Beschreibung des Aufbaus und der Funktion der Positionsmesseinrichtung
erforderlich ist.
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In
den 2 und 2a ist eine mögliche Messteilung
M des Maßstabes
S aus 1 dargestellt, die aus einer Mehrzahl entlang
einer Messrichtung R mit konstantem Abstand – beabstandet durch Zwischenräume 2 – periodisch
hintereinander angeordneter Teilungsstriche 1 besteht.
Die Teilungsstriche 1 erstrecken sich jeweils mit konstanter
Länge L senkrecht
zur Messrichtung R und weisen eine Breite B in Messrichtung auf.
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Diese
Messteilung M bildet eine so genannte Inkrementalteilung, d.h. eine
periodische Anordnung äquidistanter
Teilungsstriche 1 mit einer einheitlichen Breite B, durch
deren Abtastung sich (relative) Änderungen
der Position des einen Maschinenteils bezüglich des anderen Maschinenteils
erfassen lassen.
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Als
Kopierschutz, d.h. um zu vermeiden, dass die Messteilung M als Vorlage
für die
Herstellung weiterer, identisch gestalteter Messteilungen verwendet
wird, sind die Teilungsstriche 1 und die Zwischenräume 2 mit
Markierungen 10, 20 versehen. Dabei sind die Markierungen 10 der
Teilungsstriche 1 gebildet durch (entlang der Erstreckungsrichtung
E erstreckte) Teilbereiche der Länge
l der Teilungsstriche 1, in denen die Teilungsstriche 1 jeweils
eine geringere Breite b aufweisen als in ihren übrigen Bereichen. Durch diese
als Einschnürungen
ausgebildeten Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 werden entsprechende,
komplementäre
Markierungen 20 (in Form von Verdickungen) der Zwischenräume 2 gebildet,
wobei die Zwischenräume 2 im
Bereich dieser Markierungen 20 eine größere Breite aufweisen als in ihren übrigen Bereichen.
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Die
die Markierungen 10 bildenden Einschnürungen der Teilungsstriche 1 sowie
die die komplementären
Markierungen 20 bildenden Verdickungen der Zwischenräume 2 sind
jeweils beidseitig begrenzt durch entlang der Erstreckungsrichtung
E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 verlaufende
Begrenzungslinien 11, 12 bzw. 21, 22.
Dabei sind die Begrenzungslinien 11, 12 einer
Markierung 10 eines Teilungsstriches bzw. die Begrenzungslinien 21, 22 einer
komplementären
Markierung 20 eines Zwischenraumes 2 jeweils entlang
der Messrichtung R voneinander beabstandet und entlang der Erstreckungsrichtung
E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 zueinander versetzt.
Hierdurch bilden die Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 und
die komplementären
Markierungen 20 der Zwischenräume 2 Linien 3,
im Ausführungsbeispiel
in Form von Geraden, die sowohl bezüglich der Messrichtung R der
Messteilung M als auch bezüglich
der Erstreckungsrichtung E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 geneigt
verlaufen.
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Diese
Linien 3 in Form von Geraden bilden gemäß 2 einen
Schriftzug, der einen Hinweis auf Hersteller der Messteilung M enthält. Bei
unbefugtem Anfertigen einer Kopie der Messteilung 2 würde dieser
Schriftzug mitkopiert, so dass die unbefugt angefertigte Kopie mit
einem Hinweis auf den Hersteller der Original-Messteilung versehen
wäre.
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Wie
anhand 2 erkennbar, können
hierbei durchaus zwei oder sogar mehr Markierungen 10 bzw. 20 in
einem Teilungsstrich 1 und einem Zwischenraum 2 vorgesehen
sein. Ferner können
die einzelnen Markierungen 10 bzw. 20 eine unterschiedliche
Länge l
in Erstreckungsrichtung E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 aufweisen. Von
Bedeutung ist dabei, dass die Gesamtlänge aller Markierungen 10 der
Teilungsstriche 1 und aller komplementären Markierungen 20 der
Zwischenräume 2 hinreichend
klein verglichen mit der Gesamtlänge
aller Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 ist, so dass
das Vorhandensein der Markierungen 10 bzw. 20 nicht
zu einer substantiellen Beeinträchtigung
des bei der Abtastung der Messteilung M erzeugten Abtastsignals
führt.
Dies bedeutet insbesondere, dass die Gesamtlänge aller Markierungen 10 der
Teilungsstriche 1 bzw. komplementären Markierungen 20 der Zwischenräume 2 in
einem Abtastbereich der Messteilung M, d.h. in einem Bereich mit
einer solchen Ausdehnung entlang der Messrichtung R, der von der zugeordneten
Abtasteinrichtung A (vgl. 1) beim Abtasten
der Messteilung M gerade als Ganzes erfasst werden kann, hinreichend
klein verglichen mit der Gesamtlänge
aller Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 ist, um eine
substantielle Beeinträchtigung
bzw. Störung
des Abtastsignals zu vermeiden, welches erzeugt wird, wenn die Abtasteinrichtung – in Abhängigkeit
von ihrer jeweiligen Position bezüglich der Messteilung M – den entsprechenden
Abtastbereich der Messteilung M erfasst.
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In 2 wird
beispielhaft davon ausgegangen, dass der jeweilige Abtastbereich
eine Ausdehnung L in Messrichtung R aufweist, die der Länge L der
Teilungsstriche 1 entspricht. Dann beträgt die Gesamtlänge der
Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 bzw. der
komplementären
Markierungen 20 der Zwischenräume 2 in einem beliebigen
Abtastbereich der Messteilung M, d.h. in jedem Bereich, der von
der zugeordneten Abtasteinrichtung im Betrieb der Positionsmesseinrichtung
zusammenhängend
erfassbar ist, weniger als sechs Prozent, vorzugsweise maximal vier
Prozent der Gesamtlänge
aller Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 in dem jeweiligen
Abtastbereich.
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Diese
Regeln gelten unabhängig
von der Form des Abtastbereiches, der von der der Messteilung M
jeweils zugeordneten Abtasteinrichtung erfasst wird, also unabhängig davon,
ob der jeweilige Abtastbereich quadratisch ausgebildet ist, wie
im Ausführungsbeispiel,
oder ob dessen Ausdehnung in Messrichtung R kleiner oder größer als
die Länge
L der Teilungsstriche 1 ist. Entscheidend ist allein, dass im
jeweils abgetasteten Bereich der Messteilung M die Gesamtlänge der
Markierungen 10 bzw. die von den Markierungen 10 insgesamt überdeckte
Fläche klein
ist im Vergleich zu der Gesamtlänge
aller Teilungsstriche 1 bzw. der von der Gesamtheit aller
Teilungsstriche 1 überdeckten
Fläche.
Hierdurch wird gewährleistet,
dass die Markierungen 10 das Abtastsignal nicht substantiell
beeinträchtigen.