DE2744699A1

DE2744699A1 - Absolutes lagemessystem

Info

Publication number: DE2744699A1
Application number: DE19772744699
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Ing Hackert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-10-05
Filing date: 1977-10-05
Publication date: 1979-04-12

Description

Absolutes Lagemeßsystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein absolutes Lagemeßsystem, das durch unmittelbare Kopplung der Maßstäbe eines periodisch-absoluten Feinmeßsystems und eines digital-absoluten Grobmeßsystems entsteht.
Lagemeßsysteme sind für die Messung geometrischer Größen (z.B.
Länge, Winkel) oder hieraus abgeleiteter Größen (z.B. Geschwindigkeit, Beschleunigung) bestimmt.
Sie werden zur Lagemessung z.B. an Werkzeugmaschinen, Antennen, Prüf- und Meßeinrichtungen, automatischen Fertigungseinrichtungen und Industrierobotern eingesetzt.
Hierbei wird häufig eine digitale Ausgabeform der Meßwerte bevorzugt, damit diese unmittelbar in Datenverarbeitungsanlagen eingegeben werden können.
Folgende Lagemeßsysteme sind bekannt: 1. Systeme mit digital-inkrementalem Maßstab Bei diesen Meßsystemen wird die zu messende Größe, z.B. Weglänge, in gleichgroße Elementarschritte unterteilt. Die Anzahl der Elementarschritte entlang einer zu messenden Strecke A-B bildet das Maß für die Weglänge.
Inkrementale Meßsysteme sind störempfindlich, da Meßfehler durch Fehlzählung nicht erkennbar sind. Bei Unterbrechung des Systems (z.B. Stromausfall) ist keine Information über die Position mehr vorhanden. Die Messung muß von einem Referenzpunkt aus neu begonnen werden.
Beispiel: Lineal mit Strichraster und photoelektrischer Abtastung.
2. Systeme mit digital-absolutem Maßstab Diese sind Analog-Digital-Umsetzer mit codiertem Maßstab, bei denen jeder zu vermessenden Position ein eindeutiges Codewort zugeordnet ist. Das Codewort ist vom vorausgegangenen Zustand des Systems unabhängig und daher eindeutig mit der Position verknüpft.
Das absolute Meßsystem kann einen ortsfesten Nullpunkt besitzen und bietet große Sicherheit gegen Störungen, besonders wenn zusätzlich Prüfbits an die Codewörter angefügt werden.
Ein digital-absoluter Maßstab mit hoher Auflösung ist schwierig zu fertigen und daher teuer.
Beispiel: Codelineal mit einschrittigem Code (z.B. Gray Code) und photoelektrischer Abtastung.
3. Systeme mit periodisch-absolutem Maßstab Bei diesen Systemen wiederholt sich ein kleiner absoluter Meßbereich periodisch. Bekannt sind z.B. elektromagnetisch-induktive oder elektromagnetisch-passive Maßstäbe (z.B. Resolver-, Inductosyn- oder Accupin-Maßstäbe).
Innerhalb einer Periode liegt die analoge Lageinformation z.B.
als Amplitude oder Phasenwinkel eines Trägersignals bezogen auf ein Referenzsignal vor. Die periodischen Teilungen können gezählt werden.
Vorteile sind hohe Betriebssicherheit, Wartungs- und Verschleißfreiheit, Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse, große Genauigkeit (bis Ijim Auflösung).
4. Laserinterferometer Für hochgenaue Messungen werden Laserinterferometer eingesetzt.
Hierbei wird die Wellenlänge von monochromatischem Licht als Maßeinheit benutzt.
Die Erfindung zielt dahin, durch starre mechanische Kopplung der Maßstäbe eines periodisch-absoluten Feinmeßsystems und eines digital-absoluten Grobmeßsystems ein genaues, robustes und preiswertes absolutes Lagemeßsystem zu schaffen, das die Vorteile beider Meßsysteme miteinander verbindet.
Als Lösung wird die unmittelbare Zuordnung von Codewörtern zu den Teilungen T eines periodisch-absoluten Feinmaßstabs vorgeschlagen.
Dies soll am Beispiel eines linearen Wegmeßsystems (Bild 1) erläutert werden, das aus Inductosynmaßstab und Gray Code-Maßstab besteht, wobei die mechanische Kopplung der Maßstäbe und die mechanische Kopplung der Meßwertaufnehmer der beiden Systeme jeweils durch ein einstückiges mechanisch in sich starr ausgebildetes Koppelglied erfolgt.
Ein linearer, periodisch-absoluter Inductosynmaßstab (Feinmaßstab) (1) ist parallel zu einem linearen digital-absoluten Gray Code-Maßstab (Grobmaßstab) (2) angeordnet und mit diesem mechanisch starr verbunden. Feinmaßstab und Grobmaßstab besitzen die gleiche Teilung T (3). Innerhalb dieser Teilung T kann das Feinmeßsystem auf T (z.B. 1/100 T) auflösen. Die Meßwertaufnehmer G (4) des Grobmeßsystems und F (5) des Feinmeßsystems sind mechanisch starr gekoppelt und gemeinsam gegen die beiden feststehenden Maßstäbe in Richtung +x (6) verschiebbar. Damit die Teilungsgrenzen (7) von Grob- und Feinmaßstab nicht exakt lagemäßig übereinstimmen müssen, ist Doppelabtastung Al und A2 (8 und 9) des Grobmaßstabs vorgesehen.
Aus dem Ergebnis L (10) der Abtastung des Feinmaßstabs wird mit einer Entscheidungslogik auf den richtigen der beiden durch Doppelabtastung gewonnenen Werte Al oder A2 der Grobmessung geschlossen und dieser mathematisch mit dem Ergebnis der Feinmessung verknüpft.
Als Entscheidungskriterien für die Doppelabtastung werden z.B.
die beiden Aussagen der Feinmessung O < LsT/2 T/2 ' L zT verwendet.
Der absolute Meßwert M (11) ist dann: A2 + L für O < Lot/2 Al + L für T/2 ' L sT wobei Al und A2 = absolute Grobmeßwerte L = absoluter Feinmeßwert Das Prinzip der Doppelabtastung wird an Bild 2 erklärt.
Die Meßwertaufnehmer F (1) des Feinmeßsystems und G (2) des Grobmeßsystems sind miteinander mechanisch starr gekoppelt und gegen die feststehenden, miteinander mechanisch starr gekoppelten Maßstäbe M1 (3) des Feinmeßsystems und M2 (4) des Grobmeßsystems in Richtung ix (5) verschiebbar.
Die Meßwertaufnehmer sind neben die zugehörigen Maßstäbe gezeichnet, in der wirklichen Anordnung decken sich die zueinander gehörenden Spuren (6).
Die Ableselinie (7) wird durch den Meßwertaufnehmer F des Feinmeßsystems festgelegt. Symmetrisch zu dieser Ableselinie befinden sich auf dem Meßwertaufnehmer G des Grobmeßsystems zwei Zeilen von Abtastelementen (8 und 9) im Abstand a (10). Jede dieser Zeilen weist eine Abtastbreite b (11) auf, die z.B.
durch Justageungenauigkeiten oder fehlende Optik hervorgerufen wird.
Im Idealfall bei Abtastbreite b = 0 erhält man die größte maximal zulässige Verschiebung V (12) der Teilungsgrenzen des Grobmaßstabs (13) gegen die exakten Teilungsgrenzen des Feinmaßstabs (14), wenn die Abtastzeilen im Abstand a = T/2 + n'T n = 0, 1 , 2 ....
angeordnet sind.
In diesem Fall dürfen die Teilungsgrenzen des Grobmaßstabs maximal um l^VI = T/4 - OT mit aT z.B. 1/100 T gegen die exakten Teilungsgrenzen des Feinmaßstabs in positiver oder negativer Richtung verschoben sein.
Wird noch die Abtastbreite b einer Abtastzeile berücksichtigt, so ergibt sich für den Betrag der Verschiebung lovl = T/4 - aT - b wobei b >> aT des Feinmeßsystems sein kann.

Claims

Patentansprüche 1. Absolute Lagemeßsysteme, bestehend aus einem periodischabsoluten Feinmeßsystem und einem damit gekoppelten digital codierten absoluten Grobmeßsystem mit Doppelabtastung, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die mechanische Kopplung der Maßstäbe und die mechanische Kopplung der Meßwertaufnehmer der beiden Systeme oder die mechanische Kopplung des Maßstabs des einen Systems mit dem Meßwertaufnehmer des anderen Systems und umgekehrt jeweils durch ein einstückiges mechanisch in sich starr ausgebildetes Koppelglied erfolgt.
2.Absolute Lagemeßsysteme, bestehend aus einem periodischabsoluten Inductosyn-Feinmeßsystem und einem damit gekoppelten elektrooptischen Codemaßstab mit Doppelabtastung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die mechanische Kopplung der Maßstäbe und der Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 erfolgt.
3. Absolute Lagemeßsysteme, bestehend aus einem periodischabsoluten Resolverstab und einem damit gekoppelten elektrooptischen Codemaßstab mit Doppelabtastung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die mechanische Kopplung der Maßstäbe und der Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 erfolgt.