DE1930976C

DE1930976C - Arrangement for generating a signal curve for length or angle measurement

Info

Publication number: DE1930976C
Application number: DE19691930976
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Phys 8224 Chieming Schwefel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Filing date: 1969-06-19
Publication date: 1972-12-28

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen einer langgestreckten, sich in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg stetig ändernden Signalkurve zur Längen- oder Winkelmessung mit einer Strichteilung, deren quer zur Teilungsrichtung verlaufenden Begrenzungs.kanten zueinander parallel sind und einem photoelektrischen Wandler mit zugeordnetem Abtastspalt, dessen quer zur Teilumgsrichtung verlaufenden Begrenzungskanten zu denen der Teilungstriche parallel sind.The invention relates to an arrangement for generating an elongated, dependent continuously changing signal curve from the distance covered to length or angle measurement with a Line graduation whose delimiting edges running transversely to the direction of graduation are parallel to one another are and a photoelectric converter with an assigned scanning gap, its transverse to the partial circumferential direction running boundary edges to which the graduation lines are parallel.

Eine bekannte Anordnung dieser Art enthält einen beleuchteten Spalt, der mittels eines gleich großen Abtastspaltes der nachgeschalteten Abtastvorrichtung abgcstatet wird. Nachteilig bei diesen Anordnungen mit einem rechteckförmigen Einzelspalt ist, daß /.um Erzeugen einer langgestreckten Signalkurve eine große Baulänge erforderlich wird. Bei diesen Anordnungen ist der in der Abtastvorrichtung vorgesehene lichtclekirische Wandler so groß wie der daivor liegende Abtastspalt, was bei diesen großen Abtastspalten besonders störend ist und wegen der beschränkten Größe lichtelektrischer Wandler eine obere Grenze auch für die Länge des ansteigenden oikT abfallenden Teiles der Signalkurve setzt.A known arrangement of this type contains an illuminated gap, which by means of an equally large Scanning gap of the downstream scanning device is canceled. Disadvantageous with these arrangements with a rectangular single gap is that /.um Generating an elongated signal curve a large overall length is required. With these arrangements the light-Clekirian converter provided in the scanning device is as large as the daivor lying scanning gap, which is particularly annoying with these large scanning gaps and because of the limited Size of photoelectric converters also has an upper limit for the length of the increasing oikT descending part of the signal curve.

Es ist z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1 146 266 bekannt, einen oder mehrere dreieckförmige Spalte in einem nichttransparenten Trägerkörper vorzusehen. Der oder die dreieckförmigen Spalte werden mittels Abtastspalte abgetastet, deren Ausdehnung in der Verschieberichtung nur ein Bruchteil der Ausdehnung der dreieckförmigen Spalte ist.It is Z. B. from the German Auslegeschrift 1 146 266 known, one or more triangular Provide gap in a non-transparent support body. The one or more triangular Gaps are scanned by means of scanning gaps, the extent of which in the direction of displacement is only one Fraction of the extension of the triangular column.

Mit Anordnungen dieser Art können beliebigeWith arrangements of this type, any

ίο langgesteckte Signalkurven erzeugt werden. Jedoch ist die Herstellung solcher dreieckförmiger Spalte mit der entsprechenden Genauigkeit schwierig und aufwendig. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn bei Kreisteilungen der Dreieckspalt in einen krummlinig begrenzten Spalt ausartet, was auch bei geraden Teilungen zutrifft, wenn ein nichtlinearer Funktionsverlauf gewünscht wird. Ferner muli auch bei geradlinigen Teilungsausführungen die Breite des Abtastspaltes quer zur Verschieberichtung großer als die größte wirksame Breite des abzutastenden Dreieckspaltes sein, wenn man nicht in Kauf nehmen will, daß seitliche Führungsfehler das Meßergebnis beeinträchtigen. Im Hinblick auf das insbesondere bei mehrspurigen Teilungen bestehende Bestreben zurίο long signal curves are generated. However the production of such triangular gaps with the corresponding accuracy is difficult and expensive. This is especially true if the triangular gap turns into a curvilinear one in the case of circular divisions degenerates into a limited gap, which also applies to straight divisions if a non-linear function curve is desired. Furthermore, muli also with straight lines Division executions, the width of the scanning gap transverse to the direction of displacement is greater than that be the largest effective width of the triangular slit to be scanned, if one does not want to accept, that lateral guidance errors affect the measurement result. With regard to that in particular at multi-lane divisions existing endeavors to

as Verringerung der notwendigen Gesamtbreite der Anordnung ist aber eine geringe Breite jeder einzelnen Spur erwünscht, was weiter zur Folge hat, daß die schräge Flanke des dreieckförmigen Spaltes sehr flach verläuft und damit noch schwieriger mit der notwendigen relativen Genauigkeit herstellbar ist.he reduction of the necessary overall width of the arrangement but a small width of each individual track is desired, which also has the consequence that the sloping flank of the triangular gap is very flat and therefore even more difficult with the necessary relative accuracy can be produced.

Ferner ist es aus der britischen Patentschrift 1 009 699 bekannt, mit Hilfe der Moire-Technik eine dem menschlichen Auge langgestreckt erscheinende Signalkurve zu erzeugen. Bei Verschiebung der dort gezeigten Teilung um einen Te-!s*richabstand ergibt sich bereits ein vollständiger Wechsel einer bestimmten Teilungsstelle von Hell nach Dunkel und wieder zurück, weshalb die Signalkurve in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg nicht langgestreckt ist.It is also known from British patent specification 1 009 699, using the moiré technique to generate a signal curve that appears elongated to the human eye. When shifting there shown division by a te-! s * rich distance results There is already a complete change of a certain point of division from light to dark and again back, which is why the signal curve is not elongated depending on the distance covered.

Die Erfindung will diesen Nachteilen begegnen und eine Anordnung der eingangs genannten Art schaffen, deren Teilung verhältnismäßig leicht sowie mit großer Genauigkeit mit den üblichen Teilmaschinen hergestellt werden kann und die darüber hinaus bei günstiger Baulänge die Erzeugung verhältnismäßig langgestreckter Signalkurven ermöglichen soll, ohne daß die Signalkurve von Führungsfehlern der Abtastvorrichtung beeinflußt werden kann. Die Abtastung soll aucii dann in einfacher und betriebssicherer Weise möglich sein, wenn mehrere Teilungsspuren in unmittelbarer Nachbarschaft dicht nebeneinander angeordnet sind.The invention aims to counter these disadvantages and create an arrangement of the type mentioned at the beginning, their division relatively easy and with great accuracy with the usual sub-machines can be produced and, moreover, with a favorable overall length, the generation is proportionate should enable elongated signal curves without the signal curve of errors in the guidance of the scanning device can be influenced. The scanning should then be easier and more reliable Possible if several graduation tracks are arranged in close proximity to one another are.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Strichteilung des Gitters einen konstanten StriLhabstand, joloch ein zu- bzw. abnehmendes Strich-Lückenverhältnis aufweist und daß der dem zur Abtastung dienenden photoelektrischen Wandler zugeordnete Abtastspalt in Gitterteilungsrichtung eine Breite aufweist, die dem Strichabstand der Teilung oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht und daß als Strichabstand der Teilung der gegenseitige Abstand der Strichmitten vorgesehen ist. Weitere Möglichkeiten der Ausführung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The invention solves the problem set in that the line division of the grid is constant StriLabstand, yolk an increasing or decreasing Line-space ratio and that the photoelectric converter serving for scanning assigned scanning gap has a width in the direction of the grating which corresponds to the line spacing of the graduation or an integer multiple thereof and that as the line spacing of the division of mutual spacing of the line centers is provided. Further ways of carrying out the invention result from the subclaims.

In der Zeichnung ist eine mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigt One possible embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows

Fig. I eine nach der Erfindung gestaltete Teilung zum Erzeugen langgestreckter Signalkurven,FIG. I shows a graduation designed according to the invention for generating elongated signal curves,

Fi g. 2 die Abtastplatte für die erfindungsgemäße Teilung,Fi g. 2 the scanning plate for the inventive Division,

F i g. 3 die sich aus der erfindungsgemäßen Teilung ergebende Signalkurve,F i g. 3 the signal curve resulting from the division according to the invention,

F i g. 4 die erfindungsgemäße Teilung einschließlich der Abtastvorrichtung.F i g. 4 the division according to the invention including the scanning device.

In der Zeichnung ist ein Ausschniu aus einer erfindungsgemäßen Gitterteilung 1 mit zu- und abnehmendem Strich-/Lückenverhältnis dargestellt. Bei der erfindungsgemäßen Teilung 1 können periodisch sich wiederholende Muster X von Gitterteilungen mit gleichem Strichabstand, jedoch mit variablem Strich-/Lückenverhältnis vorgesehen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem an der Teilung 1 unterschiedlich breite Strichmarkierungen vorgesehen sind, beträgt der Strichabstand, gerechnet als gegenseitiger Abstand der Strichmitten, gleichbleibend etwa 5 mm.The drawing shows a section of a grid division 1 according to the invention with increasing and decreasing line / space ratios. In the case of the graduation 1 according to the invention, periodically repeating patterns X of grating divisions with the same line spacing, but with a variable line / space ratio, can be provided. In the exemplary embodiment shown, in which line markings of different widths are provided on the graduation 1, the line spacing, calculated as the mutual spacing of the line centers, is consistently about 5 mm.

Die Teilung 1 wird mittels einer Abtastplatte 2 abgetastet, in der ein Spalt 3 (F i g. 2) vorgesehen ist. Die Breite des Abtastspaltes 3 in seiner Verschieberichtung ist genau gleich dem Strichabstand.The graduation 1 is scanned by means of a scanning plate 2, in which a gap 3 (FIG. 2) is provided. The width of the scanning gap 3 in its direction of displacement is exactly the same as the line spacing.

Die Abtastvorrichtung (F i g. 4) enthält auch eine Lampe 4 und einen Kondensator 5 zum Beleuchten eines Ausschnittes der Teilung 1. Die die Teilung 1 und den Abtastspalt 3 durchsetzenden Lichtbündel werden mittels einer Abbildungsoptik 6 auf einen lichtelektrischen Aufnehmer 7' konzentriert, über dessen Ausgang 9 elektrische Signale abgegeben werden, die zur Längen- oder Winkelmessung herangezogen werden können.The scanning device (Fig. 4) also includes a lamp 4 and a capacitor 5 for lighting of a section of the graduation 1. The light bundles penetrating the graduation 1 and the scanning gap 3 are concentrated on a photoelectric sensor 7 'by means of imaging optics 6, via which Output 9 electrical signals are emitted, which are used for length or angle measurement can be.

Bei Relativbewegungen von Teilung 1 und Abtastvorrichtung ergibt sich eine langgestreckte, in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg stetig sich ändernde Signalkurve SK, wie sie in F i g. 4 stark verkleinert angedeutet ist.In the case of relative movements of graduation 1 and scanning device, an elongated signal curve SK that changes continuously as a function of the distance covered results, as shown in FIG. 4 is indicated on a greatly reduced scale.

Die F i g. 3 zeigt maßstäblich die an der erfindungsgemäßen Teilung 1 erzeugte Signalkurve SK mit Signalstufen, die in Abhängigkeit vom Ort der Mitte des Abtastspaltes 3 aufgetragen ist. Man erkennt hieraus einen durch die Erfindung erzielten wesentlichen Vorteil. Der Anstieg und der Abfall der Signalkurve vollzieht sich jeweils innerhalb eines kurzen Wegabschnittes, während das Signal in den dazwischenliegenden Abschnitten einen konstanten Wert beibehält. Die Orte des raschen Signalanstieges sind durch die Geometrie der Strich- und Spaltabmessungen festgelegt und ändern sich nicht in Gegensatz zu möglichen Veränderungen elektrischer Werte elektronischer Schaltelemente einer Auswerteschaltunj. Wenn ohnehin eine Digitalisierung des gemessenen Weges beabsichtigt ist, ist also einem kleinen Bereich in der Umgebung einer bestimmten Position ein ganzer Signalhöhenbereich (von der Größe eine*· Treppenstufe in F i g. 3) zugeordnet, innerhalb dessen die Auswerteschaltung einen bestimmten Positionswert anzeigen darf. Dieser Vorteil wird auch und besonders dann wirksam, wenn von einer einzigen Spur ίο mehrere phasenversetzte Signale abgeleitet und von diesen in bekannter Weise Linearkombinationen gebildet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, statt der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform mit linearem Anstieg der Treppenkurve eine mit einer nichtlinearen z. B. sinusquadratförmig ansteigenden Charakteristik vorzusehen.The F i g. 3 shows to scale the signal curve SK generated on the graduation 1 according to the invention with signal levels, which is plotted as a function of the location of the center of the scanning gap 3. This shows a significant advantage achieved by the invention. The rise and fall of the signal curve takes place within a short distance, while the signal maintains a constant value in the sections in between. The locations of the rapid signal increase are determined by the geometry of the line and gap dimensions and do not change in contrast to possible changes in electrical values of electronic switching elements of an evaluation circuit. If digitization of the measured path is intended anyway, a whole signal height range (the size of a step in Fig. 3) is assigned to a small area in the vicinity of a certain position, within which the evaluation circuit is allowed to display a certain position value . This advantage is also and especially effective when several phase-shifted signals are derived from a single track ίο and linear combinations are formed from these in a known manner. Of course, it is also possible, instead of the embodiment shown in the drawing with a linear rise in the stepped curve, one with a non-linear z. B. to provide a sine-square increasing characteristic.

Die erfindungsgemäße ' aordnung kann mit besonderem Vorteil bei digitalen Längen- oder Winkelmeßgeräten mit absoluter Auskodierung benutzt werden, bei denen sich gegenüber den Inkrementalverfahren der den kodierten Verfahren'eigene Vorteil CiT absoluten Zuordnung von Maßstabposition und Anzeige ergibt.Can aordnung the 'according to the invention with particular advantage in digital length or angular measuring instruments with absolute Auskodierung be used where there is relative to the Inkrementalverfahren of the encoded Verfahren'eigene advantage CiT absolute assignment of scale position and display.

Bei solchen Meßsystemen mit absoluter Auskodierung sind mehrere, quer zur VerschieberichtunL nebeneinanderliegende Teilungsspuren vorgesehen deren Gitterkonstanten in einem bestimmten Verhält nis zueinander stehen. In jeder dieser Teilungsspuren werden in bekannter Weise mittels zweier Abtastspalte zwei zueinander phasenversetzte Signale erzeugt. Durch Bildung \on Linearkombinationen rweier phasenverscho"bener, von einer einzigen Teilungsspur abgeleiteter Signale (z. B. in bekannter Weise mittels Widerstandsketten) kann die mittels einer einzigen Teilungsspur erzielbare Auflösung gesteigert werden, z. B. bei dekadischer Stufung der Gitterkonstanten der Teilungsspuren jeweils um den Faktor Zehn.In such measuring systems with absolute decoding there are several transverse to the displacement report adjacent graduation tracks provided their lattice constants in a certain ratio nis to each other. In each of these graduation tracks are in a known manner by means of two scanning gaps two phase-shifted signals generated. By forming linear combinations Two phase-shifted signals derived from a single pitch track (e.g. in known By means of resistance chains) the resolution that can be achieved by means of a single graduation track can be increased be e.g. B. with decadic gradation of the lattice constants of the graduation tracks in each case by the Factor ten.

Dies erlaubt, das erwähnte Verhältnis der Gitterkonstanten aufeinanderfolgender Teilungsspuren größer zu halten, als bei üblichen kodierten Maßstäben. Die gröbsten Teilungsspuren bei solchen Meßsystemen mit absoluter Auskodierung können entsprechend der in F i g. 1 gezeigter. Teilung 1 mit variablem Strich'/Luckcnverhaltnis ausgebildet sein. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte photoelektrische Abtastung beschränkt, sondern sie ist sinngemäß auch bei kapazitiven, induktiven Abtastsystemen od. dgl. anwendbar.This allows the aforementioned ratio of the lattice constants of successive graduation tracks to hold larger than usual coded scales. The coarsest traces of graduation in such Measuring systems with absolute decoding can, according to the method shown in FIG. 1 shown. Division 1 with variable line / gap ratio. The invention is of course not limited to the photoelectric scanning shown, but it can also be used analogously in capacitive, inductive scanning systems or the like.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for generating an elongated, depending on the covered Path constantly changing signal curve for length or angle measurement with a line graduation, whose delimiting edges running transversely to the direction of division are parallel to one another are and a photoelectric converter with an associated scanning gap, which is transverse to Boundary edges running in the direction of division to which the division lines are parallel, characterized in that the line spacing of the grid has a constant line spacing, however, an increasing or decreasing Slrich gap ratio and that the to Scanning serving photoelectric transducer associated scanning gap in the grating direction has a width which is the line spacing of the division or an integer multiple of which corresponds and that, as the line spacing of the division, the mutual spacing of the line centers is provided.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the mutual distance between the middle of the back is provided as the line spacing of the division is.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that that as the line spacing of the division the mutual spacing of the left or the right line border or a certain value between these values is provided.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that their usage in the case of multi-track coded length or angle measuring devices, the tracks of which are graded higher than binary to one another is.