DE19939643B4

DE19939643B4 - Einrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen

Info

Publication number: DE19939643B4
Application number: DE19939643A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Phys. Glimm
Original assignee: Trimble Jena GmbH
Current assignee: Trimble Jena GmbH
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: US6438860B1; JP2001074507A; GB2353421A; CH695119A5; GB0019912D0; SE522322C2; SE0002777L; DE19939643A1; SE0002777D0; GB2353421B

Abstract

Einrichtung zur Positionsbestimmung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, umfassend
– eine lineare optoelektronische Sensorzeilenanordnung,
– einen Längen- oder Winkelmaßstab, der eine Codeteilung mit n Teilungsabschnitten aufweist, wovon jeder Teilungsabschnitt Referenzmarken enthält, die durch eine bestimmte Folge transparenter und nichttransparenter Felder charakterisiert sind,
– eine Beleuchtungseinrichtung
– und abbildende Elemente zur Abbildung mindestens eines Teilungsabschnittes auf die lineare Sensoranordnung, wobei
– die transparenten und nichttransparenten Felder unterschiedliche Breite aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches einer kleinsten Strichbreite h ist,
– die Folge transparenter und nichttransparenter Felder jeweils eine dem betreffenden Teilungsabschnitt zugeordnete, mit k Bit binär codierte Zahl als Grobwertcodierung und eine feste wiederkehrende, mit ebenfalls k Bit binär codierte Zahl als k-Bit lange Referenzmarke darstellt,
– die n Teilungsabschnitte gleich lang sind,
– jedes Code-Bit gleich lang ist und aus je einem transparenten und einem gleich langen nichttransparenten Feld gebildet wird, wobei...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere zur Messung der relativen Verdrehung oder Verschiebung von Teilen von Geräten, Maschinen und Werkstücken. Insbesondere ist die Einrichtung für die Anwendung zur Winkelmessung in geodätischen Geräten bestimmt.

Es sind aus Patentschriften, Veröffentlichungen und auf dem Markt befindlichen Geräten eine Vielzahl von Lösungen zur Winkelmessung bekannt. Weite Verbreitung haben Systeme gefunden, bei denen eine auf einem Glasträger befindliche Hell-Dunkel-Teilung als Maßverkörperung vorgesehen ist, die auf einen optoelektronischen Sensor abgebildet oder von diesem abgetastet wird. Die so erhaltenen Meßsignale werden mittels einer nachgeschalteten Auswerteeinheit zur Gewinnung von Meßwerten ausgewertet. Es gibt Systeme mit einer oder mehreren parallelen Teilungsspuren, inkremental oder absolut messende Systeme und lineare oder flächenhafte Sensoranordnungen.

Aus Anwender- und Kostengründen setzen sich zunehmend absolut messende Systeme mit einer linearen Sensoranordnung durch. Der Einsatz z. B. einer Standard-CCD-Zeile bringt bei einer Vielzahl verfügbarer Informationen einen enormen Kosten- und Verfügbarkeitsvorteil gegenüber kundenspezifischen Sensoranordnungen. Dabei wird die Grobwertinformation seriell in einer Codespur verschlüsselt, und die Feinwertinformation wird durch Interpolation zwischen den Grobwertinformationen gewonnen.

In der DE 4 436 784 A1 ist ein Maßstab mit einer Codierung binär und durch äquidistante Striche unterschiedlicher Breite realisiert. Diese Teilung ist auch inkremental lesbar.

In der DE 196 38 912 A1 ist ein Maßstab mit einer Codierung durch einen pseudostochastischen Code realisiert. Die Beleuchtungseinrichtung wird gepulst, um Messungen bei schneller Bewegung zu ermöglichen.

Die WO 84/01027 beschreibt ein weiteres System mit pseudostochastischem Code, dem zur Auflösungssteigerung ein Manchester-Code überlagert ist.

In der EP 0 085 951 A2 wird die Interpolation zwischen äquidistanten Strichen unterschiedlicher Breite durch mehrfache digitale Bestimmung der Lichtschwerpunkte eines jeden Hellstriches mit unterschiedlichen Schwellwerten und anschließender Mittelung verfeinert.

Die DE 2 619 494 A1 beschreibt ein absolutes Meßsystem mit serieller, binärer Codierung des Maßstabes und deren Auslesung mit linearer CCD-Sensorzeile. Die Auflösung beträgt eine Sensorelementenbreite und wird durch optische Vergrößerung des Teilungsmaßstabes erhöht.

Die Auswertung der Grobcodierung einer pseudostochastischen Teilung erfordert entweder eine hohe Rechenleistung beim Generieren des Vergleichscodes in Echtzeit oder großen Speicherbedarf bei Vergleich mit dem komplett abgespeicherten Code. Alle bekannten Verfahren nutzen zur Gewinnung des Interpolationswertes nur eine geringe Zahl von Hell-Dunkel- und Dunkel-Hell-Übergängen (Flanken). Um eine hohe Auflösung zu realisieren, muß daher jede Flanke entweder mit einem A/D-Wandler bei erhöhtem Hardwareaufwand quantisiert oder mittels mehrerer unterschiedlicher Schwellwerte digitalisiert werden (erhöhte Meßzeit). Aufgrund der geringen Zahl von Flanken wirken sich Teilungsfehler und Verschmutzung der Teilung stark auf die Meßgenauigkeit aus.

In DE 197 58 104 A1 ist ein Verfahren zur Absolutbestimmung eines Drehwinkels beschrieben, das insbesondere zur Ermittlung des Lenkwinkels in einem Kraftfahrzeug geeignet ist. Zur Ausübung dieses Verfahrens ist ein adaptiver absoluter Winkelsensor angegeben, der eine über einen Winkelbereich von 360° angebrachte Codespur aufweist. Die Codespur einerseits und eine Detektoranordnung andererseits sind relativ zueinander verdrehbar angeordnet. Zur Ermittlung des Verdrehwinkels wird ein zusammenhängendes Segment der Codespur auf die Detektoranordnung abgebildet, dabei mindestens ein Codewort erfaßt, dem ein vorbestimmter Winkel entspricht und die Lage dieses Codeworts bezüglich der festen Position der Detektoranordnung bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen zu schaffen, bei denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind, und bei denen bei geringstem optischen und elektronischen Aufwand und einfacher Montage und Justierung eine hohe Meßsicher heit, eine Genauigkeit im Bogensekunden-Bereich und die Möglichkeit der Modularität erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung zur Positionsbestimmung und Winkelmessung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen mit den im ersten Anspruch angegebenen Mitteln gelöst. Das Verfahren zur Positionsbestimmung und Winkelmessung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen wird mit den im sechsten Anspruch angegebenen Mitteln gelöst.

In den auf die Ansprüche 1 und 6 bezogenen Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen und Einzelheiten zur Einrichtung und zum Verfahren dargelegt.

So ist es vorteilhaft, wenn bei der Einrichtung die k-Bit lange Referenzmarke eine solche Zahl binär codiert, die an keinem beliebigen anderen k-Bit langen Ausschnitt der Teilung, außer an den Referenzmarken selbst, auftritt.

Ferner hat es sich zur Gewinnung von Meßwerten als vorteilhaft erwiesen, daß die Codeteilung in 250 gleichlange, numerierte Teilungsabschnitte unterteilt ist, die Nummer der Teilungsabschnitte und die Referenzmarke mit je 8 Bit codiert sind, die Referenzmarke den Wert 254 hat und die 250 Teilungsabschnitte mit den Zahlen 4 bis 127, 129 bis 253 und 255 codiert sind, wobei die Zahlen 0 bis 3 und 128 nicht für Teilungsabschnitte codiert sind. Es werden also die Teilungsabschnitte 0 bis 3 ausgespart und die Zahlung beginnt erst bei 4.

Ein einfacher Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich, wenn die Abbildung des Teilungsabschnittes auf die Sensoranordnung durch reine Projektion ohne die Verwendung weiterer optischer Glieder mittels einer divergenten Leuchtquelle kleinen scheinbaren Durchmessers realisiert ist. Dabei wird eine nahezu punktförmige Lichtquelle, z. B. eine LED, zur Beleuchtung des Maßstabes vorteilhaft eingesetzt.

Die transparenten und nichttransparenten Felder des Langen- oder Winkelmaßstabes sind ganzzahlige Vielfache einer kleinsten Strichbreite h.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn der Abbildungsmaßstab a so gewählt wird, daß bei gleichmäßiger relativer Verschiebung zwischen Codeteilung und Sensorzeile um die Länge eines Sensorelementes die Anzahl der Wechsel der Zuordnung der Hell-Dunkel- und Dunkel-Hell-Übergänge zu den Sensorelementen annähernd gleichmäßig von 0 bis zur Flankenzahl im ausgewerteten Teilungsabschnitt zunimmt.

Der Abbildungsmaßstab a ist der Quotient aus Pixelbreite und Breite des Bildes eines Halbbits auf der Sensorzeile der Sensoranordnung, also
a = Pixelbreite/Breite des Bildes eines Halbbit auf der Sensorzeile.

Eine einfache Verfahrensweise bei der Abbildung der Teilungsabschnitte der Codeteilung auf die Sensoranordnung ergibt sich, wenn die Abbildung ohne zusätzliche optische Bauelemente erfolgt. So kann die Abbildung durch eine nahezu punktförmige, divergierendes Licht aussendende Lichtquelle, z. B. eine geeignete LED, in Zentralprojektion auf die in Lichtrichtung dicht hinter der Codeteilung angeordnete Sensoranordnung erfolgen.

Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn unter Ausnutzung des Signalrauschens mehrere Messungen durchgeführt und deren Ergebnisse gemittelt werden. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, die Meßgenauigkeit zu erhöhen ergibt sich, wenn mehrere Messungen mit verschiedenen Triggersehwellen durchgeführt und die Meßergebnisse dann gemittelt werden.

So kann es auch vorteilhaft sein, wenn zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit bei Verwendung einer integrierenden, optischen Sensorzeile mehrere Messungen mit verschiedenen Belichtungszeiten durchgeführt und die Meßergebnisse gemittelt werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
1 einen Ausschnitt aus einer Codespur eines codierten Maßstabes,
2a schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
2b den Verlauf elektrischer Ausgangssignale der Sensorelemente einer Sensorzeile,
2c logische Pegel für jedes Sensorelement,
2d ein mathematisch gebildetes Vergleichsraster mit den Abweichungen δ_i der Flan ken von Vergleichsraster,
3 die Abhängigkeit des systematischen Meßfehlers von Abbildungsverhältnis a,
4 einen vergrößerten Bereich aus dem Diagramm von 3 und
5 einen weiteren vergrößerten Bereich von 3.
Die erfinderische Lösung wird am Ausführungsbeispiel eines Winkelmeßsystems erläutert. Die gemachten Erläuterungen können leicht auch auf Längenmeßsysteme übertragen werden und gelten dort sinngemäß. Der Unterschied liegt lediglich in der Ausbildung des codierten Maßstabes, der bei einem Längenmeßsystem gestreckt ausgeführt ist und bei einem Winkelmeßsystem meist auf einer Scheibe angeordnet ist.
Das Winkelmeßsystem gemäß 2a umfaßt eine annähernd punktförmige Lichtquelle 1 (Point-Light-LED), der in Lichtrichtung eine Maßstabsteilung 2 (hier der Einfachheit halber als ein gestreckter Winkelmaßstab dargestellt), welcher auf einer Glasscheibe 3 aufgebracht ist und aus einer Hell-Dunkel-Strichfolge 5; 6 besteht, nachgeordnet ist, wobei mit 5 die hellen und mit 6 die dunklen Striche der Codeteilung bezeichnet sind. Unmittelbar Glasscheibe 3 und damit der Maßstabsteilung 2 in geringem Abstand nachgeordnet ist eine, aus einer Vielzahl von Sensorelementen 7 (Pixel) bestehende Sensoranordnung 8 vorgesehen. Eine solche Anordnung und Ausführung ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar, da u. a. aufwendige optische Bauelemente, die Abbildung der Maßstabsteilung auf die Sensoranordnung 8 sonst dienen, nicht zur Anwendung kommen.
Grundsätzlich kann auch eine Parallelprojektion dieses Maßstabes 2 auf die Sensoranordnung 8 vorgesehen werden. Dieses ist der Einfachheit halber nicht in den Figuren dargestellt.
Als Lichtquelle 1 können vorteilhaft LED mit einer geeigneten flächenhaften Abstrahlfläche eingesetzt werden, wobei der Leuchtfleckdurchmesser vorzugsweise < 60 μm ist.
Die Lage eines ausgezeichneten Indexpixels 9 (2a und 2b) der Sensoranordnung 8 (gedachter Index, mittleres Pixel des Auslesebereichs) bezüglich der Maßstabsteilung 2 wird in einem ersten Schritt durch Erkennung und Lagebestimmung des projizierten Bitmusters auf Strichbreite genau ermittelt, wobei als Maßstab die kleinste Strichbreite h gesetzt wird und die einzelnen Striche die Breite x·h besitzen. Die Lage innerhalb der Strichbreite (Feinwert; Interpolation) wird durch Bestimmung der Ablage der Strichkante (Flanke) vom gedachten Index bestimmt. Da auf die Verwendung eines A/D-Wandlers (eine übliche Methode zur Bestimmung einer Flankenposition oder eines Schwerpunktes) verzichtet wird, wird die Auflosung bzw. Genauigkeit durch die Auswertung einer sehr großen Anzahl von Strichkanten (Flanken) realisiert (s.u.). Beim Generieren der Codespur wurde demzufolge auf ein Maximum an Strichkanten (Flanken) im Auslesebereich (ca. 500 Pixel entsprechen einem Winkel von 10 Gon) geachtet. Die in 1 gezeigte Codespur des Teilungsmaßstabes 2 umfaßt z.B. 500 gleichlange (0,8 Gon) seriell binär codierte Teilungsabschnitte 10. Jeder Teilungsabschnitt 10 besteht aus einem 8-Bit-Wort (Byte). Jedes Bit ist gleichlang (1000 cc) und besteht im Sinne der Maximierung der Flankenzahl aus entweder einer Hellstrich-Dunkelstrich-Folge (2 sogenannte "Halbbits") für logisch „1" oder einer Dunkelstrich-Hellstrich-Folge für logisch „0". Jeder Hell- und jeder Dunkelstrich eines Bits hat die Breite von 500 cc (Halbbit; kleinste Strukturbreite) und überdeckt im Ausführungsbeispiel ca. 2,53 Pixel auf der Sensoranordnung 8 (Abbildungsmaßstab a). Es entstehen Hell- und Dunkelstriche mit den Breiten 500 cc und 1000 cc. Innerhalb jedes Bits erfolgt immer ein Hell-Dunkel- oder Dunkel-Hell-Wechsel (Flanke). Zwischen den Bits entstehen Wechsel, wenn sich der logische Pegel eines Bits nicht ändert. Bei einer Signalpegeländerung erfolgt kein Wechsel, und es entsteht ein Strich der Breite 1000 cc. Im Auslesebereich von 500 Pixeln liegen bei einer derartigen Teilung ca.160 Pegeländerungen (Flanken). Wie in 1 dargestellt, codiert jedes zweite Byte (8 Bit) den Wert „254" und dient als Synchronisationsbyte oder Startbyte zur Erkennung des Codebeginns. Der eigentliche ortsabhängige Code umfaßt die 250 Werte „4 bis 253" in aufsteigender Reihenfolge und anstatt der „128" die „255". Bei dieser Auswahl der Codierung ist garantiert, daß das Synchronisationsbyte („254") an keiner anderen Stelle der Teilung als Bitmuster vorkommt. Das Synchronisationsbite („254") ist jedoch in jedem Intervall vorhanden. Ein Intervall 12 auf dem Teilungsmaßstab 2 besteht aus einem Teilungsabschnitt 10, der stets die gleiche Codierung besitzt, und dem eigentlichen Code 11, der zur Kennzeichnung eines bestimmten Intervalls dient.
Der gesamte Vollkreis ist somit in 250 grobcodierte Intervalle 12 eingeteilt, die jeweils 1,6 Gon lang sind und aus je einem, den Teilungsabschnitt 10 kennzeichnenden Synchronisationsbyte („254") und dem eigentlichen Code 11 (8 Gon) des entsprechenden Intervalls 12 bestehen. Der Grobwert GW wird dann ermittelt zu GW = 1,6 Gon·(Code – 4), mit Code „128" wenn Code = „255".
Anhand des Beispiels gemäß 1 ergibt sich folgender Grobwert GW GW = 1,6000 Gon·(36 – 4) = 51,2000 Gon [1]
Hierin ist „36" die Nummer des betreffenden Intervalls 12. Da die Nummern 0 bis 3 ausgespart sind, wie oben angegeben, ist das dargestellte Intervall 12 das 32ste der Maßstabsteilung, nämlich 36 – 4 = 32.
Da ein Bereich von ca. 10 Gon = 6,25 Intervalle ausgelesen wird, liegen bis zu 6 Grobwerte vor, die zur Beurteilung und Korrektur einer ggf. fehlerhaften Decodierung herangezogen werden. Aufeinanderfolgende Codes müssen sich jeweils um 1 unterscheiden.
Im zweiten Schritt wird die Nummer des Halbbits (0...31), in dem sich der eigentliche Code 12 eines Intervalls befindet, ausgezählt, mit der Breite eines Halbbits (500 cc) multipliziert und zum GW addiert. GW = 51,2000 Gon + 10 × 0,0500 Gon = 51,7000 Gon [2]
Im folgenden soll die Gewinnung der oben beschriebenen Bitinformationen und des Feinwertes (Interpolationswert innerhalb der kleinsten Strukturbreite von 500 cc) beschrieben werden.
Die elektrischen Ausgangssignale der Sensorelemente 7 der Sensoranordnung 8 werden seriell mit einer festen, zum Signalhub etwa mittig liegenden Triggerschwelle 13 verglichen (2b) und als logische Pegel (High 14 oder Low 15) für jedes Sensorelement 7 (Pixel) abgespeichert (2c). In 2b. ist die Nummer des einmal festgelegten Indexpixels 9 (Ort der Messung, Index im Meßgerät) auf den Wert "0" gesetzt. Der Auslesebereich erstreckt sich im Ausführungsbeispiel demzufolge von Pixel –250 bis +249. Je nach abgebildetem Strichtyp haben im Idealfall für einen 500 cc-Strich zwei bis drei und für einen 1000 cc-Strich vier bis sechs aufeinanderfolgende Pixel den gleichen Pegel.
In 2c sind dieses drei Pixel für einen 500 cc-Strich und 5 Pixel für einen 1000 cc-Strich. Da bei unsymmetrischer Lage der Triggerschwelle zum Signalhub, etwa bei verschmutzter Teilung oder ungleichmäßiger Ausleuchtung, die digitalisierte Pixelzahl pro 500 cc- und 1000 cc-Strich die o.g. Idealbereiche bis hin zum vollständigen Verlust einer Strichinformation verlassen kann, ist eine direkte Erkennung eines 500cc- oder 1000cc-Striches aus der Anzahl aufeinanderfolgender Pixel gleichen Pegels nicht mit Sicherheit möglich. Deshalb wird, wie in 2d gezeigt, die pixelgenaue Lage einer jeden Flanke mit einem mathematisch gebildeten Vergleichsraster mit der gebrochenzahligen Strichweite des Vergleichsrasters von annähernd dem bekannten Abbildungsmaßstab a (im Ausführunsbeispiel 2,53) verglichen. Es erfolgt eine Zuordnung jeder Flanke zu der Nummer des Vergleichsrasterelementes 17, das ihr betragsmäßig am nächsten liegt. Die Differenz zur jeweiligen Nummer des Vergleichsrasterelementes 17 der vorhergehenden Flanke ist dann die Breite des aktuellen Striches in Vielfachen der kleinsten Strichbreite (500 cc, Halbbit) und der Pegel seine binäre Information. In 2d ist der Ausschnitt um das Indexpixel „0" mit den Flanken „79" bis „84", den zugehörigen Rasterelementen –3a, –2a, –1a, +1a, +3a und +4a sowie den vorzeichenbehafteten Differenzen δ_i [79] bis δ [84] dargestellt. Zwischen Flanke „80" und „81" wird demnach ein Halbbit mit dem Pegel „Low" und zwischen Flanke „81" und „82" zwei Halbbit mit dem Pegel „High" erkannt. Die so gewonnenen Halbbitpegel werden halbbitweise seriell in ein 16-Bit-Schieberegister geschoben und nach Ausblendung jedes zweiten Bits mit dem Wert des Synchronisationsbytes („254") verglichen. Gibt es eine Übereinstimmung, ist das Ende des Synchronisationsbytes erreicht. Die zugehörige Rasterelementenummer ist der negative Abstand des ersten noch auszulesenden Grobwertes zur Position des Indexpixels in Vielfachen eines Halbbits (500 cc). Sechzehn (16) Halbbit weiter steht der erste Grobwert im Schieberegister. Zur Sicherheit werden alle folgenden im Auslesebereich liegenden Grobwerte nach dem genannten Verfahren ausgelesen und im Anschluß miteinander verglichen. Damit ist die Grobwertgewinnung (Schritt 1 und 2) abgeschlossen. Die Berechnung erfolgt entsprechend Formeln [1] und [2].
Während des Vergleichs der Flanken mit dem Vergleichsraster werden die Differenzen δ_i [Flanke] vorzeichenrichtig aufsummiert und die Anzahl der Flanken mitgezählt.
Die Feinwertberechnung (Interpolation innerhalb eines Halbbits) wird dann wie folgt durchgeführt: Feinwert FW = (500 cc/a)·Σδi[Flanke]/Flankenanzahl [3]mit δ[Flanke] = Pixel [Flanke] – Raster [Flanke]·a in Bruchteilen von [Pixel]
und Abbildungsmaßstab a = Pixel/Halbbit in Bruchteilen von [Pixel]
In einem vereinfachten Beispiel dargestellt, beträgt beispielsweise die Flankenzahl = 6
und Σδ[Flanke] = 3,96 Pixel
und somit FW = (500 cc/2,53 Pixel)·3,96 Pixel/6 = 131 cc
Der komplette Winkelwert W beträgt dann: W = GW + FW = 51,7131 Gon [4]
Die theoretische Auflösung beträgt im Ausführungsbeispiel für eine Einzelmessung mit
a = 2,53 Pixel und Flankenzahl = 160, wenn 160 Flanken zur Auswertung herangezogen werden. Auflösung = (500 cc/2,53 Pixel)·1 Pixel/160 = 1,24 cc [5]
Die Genauigkeit des Meßsystems kann nur dann den Wert der Auflösung erreichen, wenn die Zuordnung einer jeden Flanke zu einer Pixelnummer bei relativer Verschiebung der Teilung zur zeilenförmigen Sensoranordnung um ein Pixelraster gleichverteilt wechselt, d.h. bei jeder Verschiebung um den Wert Pixelraster/Flankenzahl muß eine Zuordnung Flanke zu Pixelnummer wechseln. Ist dies nicht der Fall, übersteigt der systematische Meßfehler die Auflösung. Die Abhängigkeit des systematischen Meßfehlers vom Abbildungsverhältnis a ist in 3 für den Bereich a = 2,5....3,0 Pixel/Halbbit, Flankenzahl = 160 und einer Halbbitbreite = 500 cc dargestellt. Zu größeren und kleineren Abbildungsverhältnissen setzt sich die graphische Darstellung jeweils spiegelbildlich fort. Bei etwa a = 2,994 (gestreckte Darstellung in 5) ist o.g. Bedingung erfüllt, jedoch ist zu erkennen, daß dieser Fall auf einen scharf begrenzten Bereich beschränkt ist und von Bereichen hoher Fehleramplitude umgeben ist. Da das Abbildungsverhältnis durch Justierungenauigkeiten oder Alterungserscheinungen einer größeren Toleranz unterliegt, muß ein möglichst breiter Bereich geringer Fehleramplitude ausgewählt werden. Für a = 2,51...2,55 beträgt er etwa +/– 4 cc ohne bedeutende Amplitudenspitzen. Dieser Bereich ist in 4 gestreckt und vergrößert dargestellt. Daher wurde für das Ausführungsbeispiel ein mittleres Abbildungsverhältnis von a = 2,53 gewählt.
Die Erfindung wurde am Beispiel der Winkelmessung erläutert. Die angegebenen Beziehungen können auf Längenmessungen und Systeme zur Längenmessung bezogen werden.

Claims

Einrichtung zur Positionsbestimmung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, umfassend – eine lineare optoelektronische Sensorzeilenanordnung, – einen Längen- oder Winkelmaßstab, der eine Codeteilung mit n Teilungsabschnitten aufweist, wovon jeder Teilungsabschnitt Referenzmarken enthält, die durch eine bestimmte Folge transparenter und nichttransparenter Felder charakterisiert sind, – eine Beleuchtungseinrichtung – und abbildende Elemente zur Abbildung mindestens eines Teilungsabschnittes auf die lineare Sensoranordnung, wobei – die transparenten und nichttransparenten Felder unterschiedliche Breite aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches einer kleinsten Strichbreite h ist, – die Folge transparenter und nichttransparenter Felder jeweils eine dem betreffenden Teilungsabschnitt zugeordnete, mit k Bit binär codierte Zahl als Grobwertcodierung und eine feste wiederkehrende, mit ebenfalls k Bit binär codierte Zahl als k-Bit lange Referenzmarke darstellt, – die n Teilungsabschnitte gleich lang sind, – jedes Code-Bit gleich lang ist und aus je einem transparenten und einem gleich langen nichttransparenten Feld gebildet wird, wobei die binäre Information aus der Reihenfolge der beiden Felder hervorgeht, – und die k-Bit lange Referenzmarke eine solche Zahl binär codiert, die an keiner beliebigen anderen k-Bit langen Stelle der Teilung, außer an den Referenzmarken selbst, auftritt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeteilung vorteilhaft in 250 gleich lange Teilungsabschnitte unterteilt ist, die Nummer der Teilungsabschnitte und die Referenzmarke mit je k = 8 Bit codiert sind, die Referenzmarke den Wert 254 hat und die 250 Teilungsabschnitte mit den Zahlen 4 bis 127, 129 bis 253 und 255 codiert sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung des Teilungsabschnittes auf die Sensoranordnung durch reine Projektion ohne weitere optische Glieder mittels einer Lichtquelle kleinen scheinbaren Durchmessers realisiert ist.
Verfahren zur relativen Positionsbestimmung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen mit einer Einrichtung, bestehend aus einer linearen optoelektronischen Sensorzeilenanordnung, einem strichcodierten Teilungsmaßstab, der eine Codeteilung mit n Teilungsabschnitten aufweist, wovon jeder Teilungsabschnitt Referenzmarken enthält, die durch eine bestimmte Folge transparenter und nichttransparenter Felder charakterisiert sind, – und einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung und zur Abbildung mindestens eines Teilungsabschnittes der Codeteilung auf die lineare Sensoranordnung, dadurch gekennzeichnet, – daß eine, im allgemeinen gebrochenzahlige Anzahl der Sensorelemente, die vom Bild einer Marke mit der kleinsten Strichbreite h auf der Sensorzeilenanordnung überdeckt werden (Abbildungsmaßstab a) durch eine gesonderte Ermittlung zumindest annähernd bekannt ist, oder vor jeder Messung ermittelt wird, – daß eine bezüglich der Modulationsamplitude der elektrischen Signale der Sensorelemente der linearen Sensoranordnung etwa mittig liegende Triggerschwelle vorgesehen wird, mit deren Hilfe die analogen Pegel der einzelnen Sensorelemente in logische High- bzw. Low-Pegel umgewandelt werden, – daß die relative Lage (Interpolationswert) eines ausgewählten Sensorelementes der Sensoranordnung innerhalb der kleinsten Strichbreite h durch Mittelwertbildung der Differenzen zwischen den ganzzahligen Sensorelementenummern bei jedem High-Low- oder Low-High-Übergang (Flanke) und dem betragsmäßig nächstliegenden Element eines numerischen Vergleichsrasters, welches durch ganzzahlige Vielfache des Abbildungsmaßstabes a gebildet wird, bestimmt wird, – und daß anschließend eine Normierung dieses gebildeten Mittelwertes auf den Abbildungsmaßstab a durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab a so gewählt wird, daß bei gleichmäßiger relativer Verschiebung zwischen Codeteilung und Sensorzeile um die Länge eines Sensorelementes die Anzahl der Wechsel der Zuordnung der Hell-Dunkel- und Dunkel-Hell-Übergänge zu den Sensorelementen annähernd gleichmäßig von 0 bis zur Flankenanzahl im ausgewerteten Teilungsabschnitt zunimmt.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Lichtquelle die Abbildung mindestens eines Teilungsabschnittes der Codeteilung auf die Sensoranordnung durch eine Zentral- oder Parallelprojektion ohne weitere optische Glieder realisiert wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit unter Ausnutzung des Signalrauschens mehrere Messungen durchgeführt und gemittelt werden.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit mehrere Messungen mit verschiedenen Triggerschwellen durchgeführt und die Meßergebnisse jeweils gemittelt werden.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit bei Verwendung einer integrierenden optischen Sensorzeile mehrere Messungen mit verschiedenen Belichtungszeiten durchgeführt und die Meßergebnisse gemittelt werden.