DE19813803C1 - Measurement arrangement for measuring lengths and distance - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung von Längen oder Abständen mit hoher Auflösung. Sie besteht aus zwei Baugruppen, die in Längsrichtung relativ gegeneinander verschoben werden.The invention relates to a measuring arrangement for measuring lengths or distances with high Resolution. It consists of two assemblies, which are longitudinally relative to each other be moved.
Stand der Technik sind bisher Meßsysteme mit kombinierten Systemen - Incremental + CCD- Sensor oder mehrspurige Incrementalsysteme, bestehend aus vielen präzisen Teilen, wie Kondensor, Linsensysteme und mehreren, hintereinander liegenden Masken sowie einem aufwendigen Zusammenbau. Auch sind bereits Codemarken mit ausgewählten Bits zur räumlichen Festlegung bezüglich des ersten Pixels einer CCD-Zeile sowie die impulsartige Beleuchtung Stand der Technik. Die bekannten Systeme sind gegen Seiten- oder Abstandsänderungen recht empfindlich. Als Referenz sind die Schriften DE 44 36 784 A1, DE 44 10 955 C2, DE 38 18 044 A1, DE 26 19 494 A1 beispielhaft genannt.State of the art are measuring systems with combined systems - incremental + CCD- Sensor or multi-track incremental systems consisting of many precise parts, such as Condenser, lens systems and several masks lying one behind the other as well as one elaborate assembly. There are also code marks with selected bits for spatial Determining the first pixel of a CCD line and the pulse-like lighting status of the technique. The known systems are right against side or distance changes sensitive. The references DE 44 36 784 A1, DE 44 10 955 C2, DE 38 18 044 A1, DE 26 19 494 A1 are mentioned as examples.
Die nachfolgend beschriebene Erfindung macht es sich zur Aufgabe, geringe Abstands- und Seitenversatzänderungen auf der Meßstrecke zu tolerieren, eine hohe Verfahrgeschwindigkeit zu ermöglichen, sehr hohe Auflösung zu erreichen, ohne Eichfahrt nach dem Einschalten die Position zu bestimmen und einen einfachen Aufbau mit wenigen Bauteilen sowie nur mit einem eindimensionalen CCD-Sensor zu ermöglichen.The invention described below sets itself the task of small distance and Tolerating changes in lateral offset on the measuring section, a high traversing speed allow to achieve very high resolution without calibration run after switching on the position to determine and a simple structure with few components and only one to enable one-dimensional CCD sensor.
Die Meßanordnung ist mit einer oder mehreren, von Laserdioden durchleuchteten Codefeldmasken ausgestattet, nachstehend Codefelder genannt. Die Codefelder unterscheiden sich untereinander durch einen anderen Code in der Codefeldmaske. Diese Codefeder projezieren das Lichtmuster der Codefeldmaske entsprechend, auf einen, aus mehreren lichtempfindlichen Pixeln bestehenden CCD-Sensor, dessen Ausgangssignal durch einen Analogdigitalwandler digitalisiert und einem Microprozessor zugeführt wird, der die absolute Position errechnet und ausgibt. Die Verschiebung der Codefelder erfolgt in Längsrichtung des CCD-Sensors.The measuring arrangement is equipped with one or more, illuminated by laser diodes Code field masks equipped, hereinafter called code fields. The code fields differ with each other by another code in the code field mask. These code springs project that Light pattern corresponding to the code field mask, on one, from several light-sensitive pixels existing CCD sensor, the output signal digitized by an analog-digital converter and is fed to a microprocessor, which calculates and outputs the absolute position. The The code fields are moved in the longitudinal direction of the CCD sensor.
Um eine größere Gesamtmeßlänge als die Länge des CCD-Sensors zu messen, werden mehrere Codefelder in geeignetem Abstand und mit unterschiedlichem Codeinhalt zueinander angeordnet. Die absolute Position wird durch die örtliche Stellung und Abbildung, von zumindest einem Codefeld, dadurch genau bestimmt, daß die Mitte des Codefeldes zum 1. Pixel des CCD-Sensors bestimmt wird und entsprechend des Codeinhalts des gemessenen Codefeldes, ein zuvor kalibrierter Wert, welcher die Stellung dieses Codefeldes zum Anfang der Gesamtmeßstrecke charakterisiert, hinzu addiert wird. Damit ist die Position jederzeit, auch nach einem Einschaltvorgang bestimmbar, ohne daß eine Eichfahrt durchgeführt werden muß. Die Berechnung, Speicherung und Ausgabe der Daten erfolgt durch den vorteilhaften Einsatz eines Microprozessors. Dieser ermöglicht außerdem kleine mechanische Abmessungen des Gesamtsystems und einen geringen Stromverbrauch.In order to measure a total measuring length greater than the length of the CCD sensor, several Code fields arranged at a suitable distance and with different code content from each other. The absolute position is determined by the location and mapping of at least one Code field, determined exactly that the middle of the code field to the 1st pixel of the CCD sensor is determined and according to the code content of the measured code field, a previously calibrated Value that characterizes the position of this code field at the beginning of the total measuring section, is added. So the position is at any time, even after a switch-on process can be determined without having to carry out a calibration run. The calculation, storage and The data is output through the advantageous use of a microprocessor. This also allows small mechanical dimensions of the overall system and a small one Power consumption.
Besondere Bedeutung kommt der Anordnung der Striche auf der Codefeldmaske zu. Diese besteht vorteilhaft aus Strichen und Abständen verschiedener Breiten, die spiegelbildlich um ein Mittensyncronbit angeordnet sind. Ein Bit in diesem Feld ist durch einen, in etwa gleich langen hellen- und einen nachfolgenden gleich langen dunklen Abschnitt geeigneter Länge dargestellt. Kurze Abschnitte ergeben den Bitwert 0, lange Abschnitte den Bitwert 1. Die Anzahl der Bits wird den Erfordernissen angepasst und liegt, zweckmäßiger Weise zwischen 4 und 32 Bit.The arrangement of the lines on the code field mask is of particular importance. This exists advantageous from lines and distances of different widths, which are mirror images of one Center sync bit are arranged. A bit in this field is by an approximately the same length light and a subsequent equally long dark section of suitable length is shown. Short sections give bit value 0, long sections give bit value 1. The number of bits is adapted to the requirements and is suitably between 4 and 32 bits.
Durch, zum Beispiel, eine Anordnung von 14 Codebits können 16384 Codes dargestellt werden, es können demnach 16384 Codefelder benutzt werden. Verwendet man einen CCD-Sensor mit 7 µm Pixelabstand sowie 52 mm Länge und einen Abstand der Codefelder von 16 mm so erhält man eine Gesamtmeßstrecke von mehr als 250 m mit einer Auflösung von rund 10 nm. Diese hohe Auflösung wird durch die Messwerterfassung der Codestriche möglich und liegt weit unterhalb der Pixelabstände des CCD-Sensors.By, for example, an arrangement of 14 code bits, 16384 codes can be represented, 16384 code fields can therefore be used. If you use a CCD sensor You get 7 µm pixel pitch as well as 52 mm length and a distance of the code fields of 16 mm a total measuring distance of more than 250 m with a resolution of around 10 nm. This high Resolution is made possible by the measurement value acquisition of the code lines and is far below that Pixel spacing of the CCD sensor.
Ein weiterer Vorteil besteht durch den Einsatz einer Laserdiode. Diese stellt eine nahezu punktförmige Lichtquelle dar und kann kurze Lichtblitze aussenden. Hierdurch ergibt sich ein weiterer Vorteil, der hohen, erreichbare Verfahrgeschwindigkeit. Sie wird dadurch erreicht, daß dem CCD-Sensor durch die Laserdiode Licht mit hoher Energie, dieses aber nur für eine sehr kurze Zeit zugeführt wird. Normalerweise wird durch die schnelle Bewegung der Codefelder deren Abbildung durch eine lange Belichtung des CCD-Sensors verzerrt.Another advantage is the use of a laser diode. This represents an almost point light source and can emit short flashes of light. This results in a Another advantage is the high, achievable travel speed. It is achieved in that the CCD sensor through the laser diode light with high energy, but only for a very short time Time is supplied. Usually, the rapid movement of the code fields means that Image distorted due to long exposure of the CCD sensor.
Durch die vorteilhafte, spiegelbildliche Aufteilung der Codefeldmaske kann ein unterschiedlicher Abstand der Codefelder zum CCD-Sensor ausgeglichen werden. Dies geschieht dadurch, daß die Mitte des symmetrischen Codefeldes zur Positionsbestimmung benutzt wird. Durch Abstandsänderungen ändert sich die Abbildungsgröße der Codefeldmaske am CCD-Sensor, da aber die Laserdiode mittig zur spiegelgleichen Codefeldmaske sowie rechtwinklig zum CCD- Sensor angeordnet ist und im Prozessor die Mitte der Codefeldmaske errechnet wird, ergibt sich durch Abstandsänderungen nur ein sehr kleiner Meßfehler. Der Seitenversatz wird durch die Breite der parallelen Striche auf der Codefeldmaske ausgeglichen.Due to the advantageous, mirror-image division of the code field mask, a different distances between the code fields and the CCD sensor can be compensated. this happens by using the center of the symmetrical code field for position determination. The image size of the code field mask on the CCD sensor changes due to changes in distance, but since the laser diode is centered on the mirror-like code field mask and at right angles to the CCD Arranged sensor and the center of the code field mask is calculated in the processor, results only a very small measurement error due to changes in distance. The side offset is determined by the width of the parallel lines on the code field mask.
Weitere Einzelheiten zur vorteilhaften Anwendung gehen aus den beigefügten Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 4 hervor.Further details of advantageous application apparent from the accompanying drawings Fig. 1 to Fig. 4 produced.
Fig. 1 Anordnung eines Codefeldes und des CCD-Sensors. Fig. 1 arrangement of a code field and the CCD sensor.
Fig. 2 Anordnung der Striche in der Codefeldmaske. Fig. 2 arrangement of the lines in the code field mask.
Fig. 3 Ausrichtung des Codefelds zum CCD-Sensor. Fig. 3 Alignment of the code field to the CCD sensor.
Fig. 4 Gesamtaufbau der Meßanordnung. Fig. 4 overall structure of the measuring arrangement.
Zugrunde gelegt wird in Fig. 1, daß eine Laserdiode eine punktförmige Lichtquelle darstellt und Lichtimpulse aussendet, welche durch eine Codefeldmaske (2) auf einen eindimensionalen CCD- Sensor (3) fallen.Is as used in Fig. 1, that a laser diode is a point light source and emits light pulses which fall by a code field mask (2) on a one-dimensional CCD sensor (3).
Die Fig. 2 zeigt den Aufbau des Codeinhalts der Codefeldmaske (2). Der Codeinhalt ist spiegelbildlich um ein Syncronbit (S) angeordnet. Jedes Codefeld besitzt einen unverwechselbaren Code. Als erstes Bit ist das höchstwertige Bit (MSB) angeordnet. Danach folgt das jeweils niederwertigere Bit bis zum niederwertigsten Bit (LSB). In der Mitte ist das Mittensyncronbit (S) angeordnet. Es folgt nun der gleiche Codeinhalt, jedoch in umgekehrter Reihenfolge (LSB bis MSB). Der eigentliche Code enthält hier beispielhaft zehn Bits. Auf einem lichtdurchlässigen Bereich folgt ein lichtundurchlässiger Bereich gleicher Breite. Ein Bit mit der logischen Wertigkeit 1 besteht demnach aus einem L1-breiten lichtdurchlässigen Teil und einem L1-breiten lichtundurchlässigen Teil. Ein Bit mit der logischen Wertigkeit 0 besteht aus einem L0-breiten lichtdurchlässigen Teil und einem L0-breiten lichtundurchlässigen Teil. Die Strichbreiten werden vorteilhaft mit der Auflösung des CCD-Sensors abgestimmt. In (Fig. 2) ist die Bitfolge 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 S 0 1 0 0 0 0 1 1, dies entspricht der Adresse 342 hexadezimal oder 834 dezimal. Zweckmäßiger Weise werden, je nach Anforderung, ein bis zweiunddreißig Bits zum Aufbau der Codefeldmaske (2) benutzt. Fig. 2 shows the structure of the code contents of the code field mask (2). The code content is arranged in mirror image around a sync bit (S). Each code field has a unique code. The most significant bit (MSB) is arranged as the first bit. This is followed by the least significant bit to the least significant bit (LSB). The center sync bit (S) is located in the middle. The same code content now follows, but in reverse order (LSB to MSB). The actual code contains ten bits as an example. An opaque area of the same width follows on a translucent area. A bit with logical value 1 therefore consists of an L1-wide translucent part and an L1-wide opaque part. A bit with the logical value 0 consists of an L0-wide translucent part and an L0-wide opaque part. The line widths are advantageously coordinated with the resolution of the CCD sensor. In ( Fig. 2) the bit sequence is 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 S 0 1 0 0 0 0 1 1, this corresponds to the address 342 hexadecimal or 834 decimal. Depending on the requirements, one to thirty-two bits are expediently used to construct the code field mask ( 2 ).
Die Darstellung der Fig. 3 zeigt die Codefeldmaske (2) mit der mittig zum Mittelsyncronbit (S) ausgerichteten optischen Achse der Laserdiode (1), die rechtwinklig (8) zum CCD-Sensor (3) angeordnet ist.The illustration in FIG. 3 shows the code field mask ( 2 ) with the optical axis of the laser diode ( 1 ) aligned centrally to the center sync bit (S), which is arranged at right angles ( 8 ) to the CCD sensor ( 3 ).
In Fig. 4 ist die gesamte Anordnung dargestellt. An einem verschiebbaren Träger (4), mit dem Anfang der Meßstrecke (7), sind eines oder mehrere, beleuchtete Codefelder (C.1-C.n) befestigt. Dieser Träger ist aus einem Material mit sehr geringem Temperatureinfluss gefertigt.The entire arrangement is shown in FIG . One or more illuminated code fields (C.1-Cn) are attached to a displaceable carrier ( 4 ) at the beginning of the measuring section ( 7 ). This carrier is made of a material with very little temperature influence.
Die von den Codefeldern ausgesandten Lichtmuster werden, wenn sie auf den CCD-Sensor (3) treffen, von diesem in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt und dann einem Prozessor mit Interface (5) zur Auswertung zugeführt. Hier wird die genaue Mittellage des Codefeldes zum 1. Pixel des CCD-Sensors ermittelt und der Codeinhalt der Codefeldmaske (2) selbst zur Zuordnung eines kalibrierten Wertes, der dem Abstand des Codefeldes zum Anfang der Gesamtmeßstrecke (7) entspricht, zur absoluten, genauen Maßbestimmung hinzuaddiert. Diese Codefelder sind so angeordnet, daß immer eines oder auch mehrere Codefelder durch den CCD-Sensor ausgewertet werden können. Der ermittelte Meßwert wird letztendlich nach außen (6) abgeführt.When they hit the CCD sensor ( 3 ), the light patterns emitted by the code fields are converted into an electrical output signal and then fed to a processor with an interface ( 5 ) for evaluation. Here the exact central position of the code field to the 1st pixel of the CCD sensor is determined and the code content of the code field mask ( 2 ) itself for the assignment of a calibrated value, which corresponds to the distance of the code field to the start of the total measuring section ( 7 ), for absolute, precise measurement added. These code fields are arranged in such a way that one or more code fields can always be evaluated by the CCD sensor. The measured value determined is ultimately discharged to the outside ( 6 ).
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