DE2940847A1

DE2940847A1 - Einrichtung zur traegerfrequenten abtastung und interpolation

Info

Publication number: DE2940847A1
Application number: DE19792940847
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Klemme; Volkmar Dipl Phys Weiland
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1979-10-09
Publication date: 1980-06-12
Also published as: NL7908706A; DD139897A1; DD139897B1

Description

Eir3ichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Inter-
polation Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation von Weg- und Winkelinformationen für nach dem Durch- oder Auflichtverfahren arbeitende fotoelektrische Meßsysteme, insbesondere für Meßgeräte und Werkzeugmaschinen.
Zur Erhöhung der Auflösung bei fotoelektrischen Weg- und Winkelmeßverfahren und -einrichtungen werden z. B. Interpolatoren angewendet, die auf dem Amplitudenanschnitt der vom fotoelektrischen Meßkopf der Meßsysteme abgegebenen Primärsignale beruhen. Die Unterteilung der Signalperiode der Primärsignale wird entweder durch Präzisionstrigger oder hochgenaue Spannungsteiler mit anschließender Uberlagerung der entsprechenden Funktionen vorgenommen. Derartige Interpolatoren erfordern mit zunehmendem Interpolationsfaktor einen hohen Abgleichaufwand der elektronischen Bauelemente.
Desweiteren wird lediglich ein Interpolationsfaktor einschließlich digitaler Vervierfachung von etwa 40 - 80 erreicht. Mit steigendem Interpolationsfaktor vergrößert sich der schaltungstechnische Aufwand für den Interpolator, und die Anforderungen an die Primärsignale des Meßkopfes bezüge lich Signalform, Amplitudenstabilität, Phasenwinkel und Qleichspannungssignal nehmen zu.
Ein phasenzyklisches, trägerfrequentes Interpolationsverfahren und eine Einrichtung zur Meßwertermittlung bei fotoelektrischen Weg- und Winkelmeßsystemen ist in der DD-PS 128.338 beschrieben.
Hierbei werden die quasi sinusförmigen Signale in einem ersten Auswertekanal zur Auswertung der Nuildurchgänge der Signale und in einem zweiten Auswertekanal zur Auswertung des momentanen Phasenzustandes der Signale zwischen zwei Nulldurchgängen herangezogen.
Die Grobinformationswerte des ersten Auswertekanals und die Feininformationswerte des zweiten Auswertekanals werden gemeinsam in einer Informationsverwertungsstufe weiterverarbeitet. Es werden also die Voraussetzungen für eine Modulation der Trägersignale mit den entsprechenden Primärsignalen des Meßkopfes nicht im Meßkopf geschaffen, sondern in einer speziellen Nachfolgeschaltung.
Diese Einrichtung ist für fotoelektrische Meßsysteme geeignet, bei denen z. B. die Gewinnung der Weg- und Winkelfunktionen über eine abbildende Zwischenoptik zur Moirberzeugung erfolgt und allen nachgeschalteten Fotoempfängern eine unmodulierte, gemeinsame Lichtquelle zugeordnet ist.
Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes zu beseitigen und den technischen Aufwand fUr hochauflösende fotoelektrische Measysteme zu senken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation für Meßsysteme zu schaffen, bei welcher ein hoher Interpolationsfaktor erzielt werden soll.
Erfindungagemiß wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation von Weg-und Winkelinformationen, bestehend aus einer 3eleuchtungs einrichtung, einem Rastermaßstab, einem fotoelektrischen Tastkopf und einer nachgeschalteten Signalverarbeitungsein heit, dadurch geldat, daß eine von einem hochfrequenten Impulagenerator abgeleitete Trägerfunktion mit den Signalen sin SS bzw. cosStd zur Aussteuerung der den Rastermastab direkt beleuchtenden Beleuchtungoeinrichtung rorgosehzn ist, daß hinter einer, vier um jeweils ein Viertel der Gitterkonstante K des Rastermaßstabes zueinander versetzte Strichfelder aufweisenden Abtastplatte vier, nichtlineare U-I-Kennlinien besitzende Fotoempfänger vorgesehen sind, denen differenzbildende Operationsverstärker und selektive Filter zur Bildung amplituden-modulierter Signale sin . co8Ssç und sitzt . cos#rt nachgeschaltet sind, daß ein Summierverstärker für die Bildung der Summenfunktion sin ((»r + Ss ) t vorgesehen ist, daß die Gewinnung der absolut phasenproportionalen Weg- und Winkelinformation aus dem Vergleich der digitalisierten Summenfunktion sin (#r + #S)t mit der Trägerfunktion entsprechend sin t in einer digitalen Phasenauswerteeinheit, die dem Summierverstärker nachgeordnet ist, gewonnen wird und daß ein, den Phasenraum entsprechend dem gewählten Interpolationsfaktor zur Gewinnung von Feinwerten auszählender hochfrequenter Impulsgenerator mit der Frequenz f vorgesehen ist, wobei MF die Kreisfrequenz der Trägerfunktion und Ss die Kreisfrequenz der Weg- und Winkelinformation sind.
Dabei ist es vorteilhaft, daß die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei von einem hochfrequenten Impulsgenerator abgeleitete Trägerfunktionen sin E+ und cos #rt modulierte Lumineszenzdioden umfaßt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung können zur Gewinnung von vier um 900 phasenverschobenen Signalen anstelle der Strichfelder mit einem Raster der Rasterkonstanten K versehene Fotoempfänger selbst um jeweils K/4 versetzt im Tastkopf angeordnet werden, wobei K die Rasterkonstante des Rastermaßstabes 2 ist. Weitere Ausführungsformen zur Signalgewinnung stellen die bekannten Verfahren zur Moirterzeugung dar.
Die Erfindung ermöglicht durch einen hohen Interpolationsfaktor (> 100) eine hohe Auflösung und damit Unterteilung eines Grobintervalles. Durch Wegfall einer Zwischenoptik zwischen Rastermaßstab und Meßkopf sowie durch einen geringeren schaltungstechnischen Aufwand in der Signalverarbeitungseinheit ergibt sich ein einfacher Aufbau und eine hliniaturisierung der gesamten Einrichtung.
Durch den Einsatz von Luminiszenzdioden als Lichtquelle werden hXglichkeiten ihrer Modulierung geschaffen und die thermische Belastung der Einrichtung verringert. Die Einrichtung gestattet Messungen bei einer hohen Verfahrgeschwindigkeit des Rastermsßstabes und damit eine hohe Meßdynamik.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, welches in der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist.
Die Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation umfaßt ein hochauflösendes fotoelektrisches Meßsystem und besteht aus einer Beleuchtungseinrichtung 1, einen Rastermaßstab 2 und einem fotoelektrischen Tastkopf, wobei der Rastermaßstab 2 relativ zur Beleuchtungseinrichtung 1 und zum Tastkopf bewegbar ist. Eine Signalverarbeitungseinheit ist dem Tastkopf nachgeordnet.
Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfaßt zwei Lumineszenzdioden 3 und 4 zur Beleuchtung des Rastermaßstabes 2, die nach den von einem Hochfrequenzgenerator 5 abgeleiteten Trägerfunktionen sin C+ und cos #rt ausgesteuert werden. Hierin sind zur die Kreisfrequenz der Trägerfunktion und #S die Kreisfrequenz der Weg- oder Winkelinformation.
Hinter vier um jeweils ein Viertel der Gitterkonstante K des Rastermaßstabes 2 zueinander versetzten Strichfeldern einer Abtastplatte 6 sind vier Fotoempfäflger 7, 8, 9 und 10 angeordnet, denen differenzbildende Operationsverstärker 11, 12 und selektive Filter 13, 14 zur Bildung amplitudenmodulierter Signale sin #rt . cosS5 und amin ist . cos #rt nachgeschal tet sind. Ein Summierverstärker 15 dient der Bildung der Summenfunktion sin (UW +Ss ) t. Zur Gewinnung der absolut phasenproportionalen Weg- und Winkelinformation aus dem Vergleich der digitalisierten Summenfunktion sin (#r+#S ) t mit der Trägerfunktion sinkt sind ein Analog-Digital-Wandler 16 und eine digitale Phasenauswerteeinheit 17 dem Summierverstärker 15 nachgeschaltet.
Die Wirkungsweise der Einrichtung wird nachstehend beschrieben. Die vier Fotoempfänger 7, 8, 9, 10 empfangen jeweils hinter den vier jeweils um K/4 des Rastermaßstabes 2 zueinander versetzten Strichfeldern der Abtastplatte 6 die elektrischen Weg- und Winkelinformationen. Dabei werden die Fotoempfänger 7 und 8 von der Lumineszenzdiode 3 und die Fotoempfänger 9 und 10 von der Lumineszenzdiode 4 beleuchtet.
Von dem Hochfrequenzgenerator 5, dessen Frequenz f entsprechend der Meßwertauflösung im Kanal 1 gewählt wird, werden über digitale Frequenzteiler 18 und t9 und über identische Filter 20 und 21 die Trägerfunktionen sin Lif und cosOrf gebildet, mit denen die Lumineszenzdioden 3 und 4 angesteuert werden.
Die Fotoempfänger 7, 8, 9 und 10 erhalten wechselnde Fotoströme, die durch Überlagerung von hochfrequentem Licht der Beleuchtungseinrichtung 1 entsprechend der Frequenz fr und einem niederfrequenten Anteil entsprechend der Frequenz f, der aus der Bewegung des Rastermaßstabes 2 gegenüber der Abtastplatte 6 resultiert, gekennzeichnet sind.
Zwischen den Strichfeldern der Fotoempfänger 7 und 8 und denen der Fotoempfänger 9 und 10 besteht ein geometrischer Versatz in der Rasterteilung von K/2. Demnach beträgt dieser Versatz zwischen den Fotoempfängern 7 und 9 und 8 und 10 K/4.
An diesen Fotoempfängern 7, 8, 9 und 10 entsteht jeweils eine nichtlineare verzerrte Ausgangsfunktion, die sich aus einem Gleichspannungsanteil, einem trägerfrequenten und einem niederfrequenten Anteil sowie deren Oberwellen und dem Produkt sintert. cosSst bzw. sinBst . cos6+t zusammensetzt, Nach Abgleich der Signale der Fotoempfänger und des Gleichspannungsanteils werden durch nachfolgende Differenzbildung der Fotoempfängerpaare 7/8 bzw. 9/10 in den Operationsverstärkern 11 und 12 und selektiver Filterung in den selektiven Filtern 13 und 14 die amplitudenmodulierten Funktionen sin #@t . cos bzw. sin Eist. cosEit gewonnen.
Diese beiden amplitudenmodulierten Signale werden dem Summierverstärker 15 zugefUhrt, in welchem die Summenfunktion sin (#r +hi ) t gebildet wird.
Der Term t-ait ist proportional dem vom Rastermaßstab 2 zurückgelegten Weg. In dem Analog-Digital-Umsetzer 16 wird die Summenfunktion digitalisiert und in der Phasenaußwerteeinheit 17 mit der digitalisierten Funktion sin #rt verglichen und in einem Zähler 22 der Phasenraum entsprechend der geforderten Auflösung digital ausgezählt.
Die Gewinnung der Feinwerte innerhalb einer Interpolationsperiode des Rastermaßstabes 2 erfolgt im Kanal 1 Uber eine digitale Phasenmessung absolut. Jedem Momentanwert der Wegfunktion sin bzw. cosEif cos#st ist nur ein bestimmter Phasenwert sugeordnet, der unabhängig von Störungen innerhalb der Interpolationsperiode reproduzierbar ist.
Die Grobewerte (Interpolationsperioden) entsprechend sinkt bzw. cosEit werden aus dem Uberlagerten Frequenzgemisch durch Filterung bzw. Demodulation in der Einheit 23 gewonnen und stehen nach Aufbereitung und Digitalisierung im Kanal 2 für eine Verknüpfung mit den Feinwerten im Zähler 22 zur Verfügung.
Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausftihrungsform der Erfindung ist es möglich, in der Beleuchtungseinrichtung 1 vier modulierte Lumineszenzdioden vorzusehen, wobei jeweils zwei dieser Dioden mit der gleichen Trägerfunktion sint4t bzw. cos#rt moduliert werden. Desweiteren ist es möglich, die Fotoempfänger 7, 8, 9 und 10 selbst mit einem Raster mit der Rasterkonstanten K zu versehen und um K/4 zueinander versetzt gegenUber dem Rastermaßstab 2 zur Gewinnung von der um 900 phasenverschobenen Signalen im Tastkopf anzuordnen, wobei K die Rasterkonstante des Rastermaßstabes 2 ist.
L e e r s e i t e

Claims

Patentanspruch: 1. Einrichtung zur trägerfrequenten Abtastung und Interpolation von Weg- und Winkelinformationen, bestehend aus einer Beleuchtungßeinrichtung, einem Rastermaßstab und einem fotoelektrischen Tastkopf, wobei der Rastermaßstab relativ zum Tastkopf und zur Beleuchtungseinrichtung bewegbar und dem fotoelektrischen Tastkopf eine Signalverarbeitungseinheit nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einem Hochfrequenzgenerator 5 zur Bildung von Tragerfunktionen sin+t und C094{ ausgesteuerte, einen Rastermaßstab 2 direkt beleuchtende Beleuchtungseinrichtung 1 vorgesehen ist, daß hinter einer, vier um jeweils ein Viertel der Gitterkonstante K des Rastermaßstabes 2 zueinander versetzte Strichfelder aufweisende Abtastplatte 6 vier nichtlineare U-I-Kennlinien besitzende Fotoempfänger 7, 8, 9, 10 vorgesehen sind, denen differenzbildende Operationsverstärker 11, 12 und selektive Filter 13, 14 zur Bildung amplitudenmodulierter Signale sin&jt . cosSst und sin #St.

cos #rt nachgeschaltet sind, daß ein Summierverstärker 15 für die Bildung der Summenfunktionsin ( &+ + #S ) t vorgesehen ist, daß zur Gewinnung von absolut phasenproportionalen Weg- und inkelinformationen durch Vergleich der digitalisierten Summenfunktion sin (L'JT + #S ) t mit der Trägerfunktion sin #rt ein Analog-Digital-Wandler 16 und eine digitale Phasenauswerteeinheit 17 dem Summierverstärker 15 nachgeordnet sind, und daß für die digitale Auswertung des Phasenraums zur Gewinnung von Feinwerten entsprechend dem gewählten Interpolationsfaktor ein hochfrequenter Impulsgenerator 5 vorgesehen ist, wobei #T die Kreisfrequenz der Trägerfunktion, WS die Kreisfrequenz der Weg- und Winkelinformation und f die IIochfrequenz des Impulsgenerators sind.