DE2952106A1 - Lichtelektrische inkrementale positioniereinrichtung - Google Patents
Lichtelektrische inkrementale positioniereinrichtungInfo
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Description
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 18. Dezember 1979
Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
Es sind Positioniereinrichtungen bekannt. In der DE-OS
18 14 785 wird z.B. eine lichtelektrische Längenmeßein—
richtung beschrieben, bei der neben der Inkrementalteilung
noch eine Referenzmarke vorgesehen ist. In dieser Druckschrift ist die Funktionsweise einer lichtelektri—
sehen inkrementalen Meßeinrichtung dargelegt. Ferner
ist insbesondere die Funktion und der Aufbau einer Referenzmarke durch die Figur 2 dargestellt.
Gemäß dem Stand der Technik (DE-PS 876 162) ergibt sich
an einer Markierung ein besonders günstiger Signalver— lauf, wenn die Striche der Strichgruppe in ungleichen
Abständen voneinander angeordnet werden. Die Abtast— platte für diese Markierung weist demgemäß ein Ablese—
feld auf, das die gleiche Strichverteilung in der Strich— gruppe hat, wie die Markierung. Bei genauer und vollständiger
Oberdeckung von Markierung und Ablesefeld wird ein Signal mit ausreichend hohem Nutz-/Störsignalverhältnis
erzielt.
Es ist weiterhin bekannt, eine Reihe von gleichen Referenzmarken entlang der Teilungsspur eines inkrementalen Meß—
systems vorzusehen. Aus der Reihe gleicher Referenzmarken
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können einzelne Marken durch geeignete Mittel ausgewählt und zur Wirkung gebracht werden (DE-AS 25 40 412).
In den Druckschriften kommt die Problematik inkremen— taler Meßsysteme zum Ausdruck: Nach Betriebsunterbrechungen
kann nicht ohne weiteres die Anfangslage der Meßeinrichtung wiedergewonnen werden. Die beiden Druckschriften
(DE-OS 18 14 785 und DE-AS 25 40 412) geben
Maßnahmen an, wie diese Referenz auf möglichst einfache Weise wieder gewonnen werden kann.
Die Nachteile der bekannten Meßeinrichtung liegen jedoch darin, daß bei Ausfall einer Beleuchtung die Messung gestört
wird und dies zu erheblichen Betriebsunterbrechungen mit langen Ausfallzeiten führen kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine inkrementale Positioniereinrichtung
zu schaffen, bei der durch den Ausfall einer Beleuchtung die momentane Messung nicht spürbar gestört
wird und die genauer arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches Λ
angegebenen Merkmale gelöst.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Der Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine lichtelektrische Positioniereinrichtung mit zwei Ablesestellen in einer
schematischen Seitenansicht,
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Figur 2 einen Maßstab mit Teilungsspuren, Figur 3 eine'Abtastplatte mit Ablesefeldern,
Figur 4 eine Winkelmeßeinrichtung in schema— tischer Draufsicht,
Figur 5 die Winkelmeßeinrichtung nach Figur 4 in schematischer Schnittdarstellung,
Figur 6 eine Schaltskizze zum gleichzeitigen Betrieb zweier Lampen,
Figur 7 eine Einrichtung gemäß Figur Λ in einer schematischen Vorderansicht.
In der Figur 1 sind zwei Lampen L. und L2 in einer Abtast—
baueinheit 1 angeordnet. Die Lampen Lx. und Lp sind in
einem konstanten Abstand voneinander befestigt. Eine Ab— tastplatte A weist Ablesefelder Am, A'„,. und A1^p auf. Ein
Maßstab M trägt auf Teilungsspuren eine Inkrementalteilung T sowie Referenzmarkierungen R',. und R'p. Die Abtastbauein—
heit Λ ist relativ zum Maßstab M verschiebbar gelagert. Bei Relativbewegungen zwischen Maßstab M und Abtastbaueinheit 1
wird die Abtastplatte A entlang der Teilungsspuren in bekannter Weise geführt. Der von den Lampen L^ und L2 ausgehende
Lichtstrom tritt dabei sowohl durch die Abtast— platte A als auch durch den Maßstab M. Dabei wird der hin—
durchtretende Lichtstrom durch die auf beiden Elementen A und M vorhandenen Hell—/Dunkelfelder der Teilungsspuren in
bekannter Weise moduliert. Der modulierte Lichtstrom trifft auf lichtempfindliche Elemente P, deren Signale in einem
Auswertebaustein B in bekannter Weise aufbereitet und einem Vorwärts—Rückwärtszähler VR zugeführt werden, der den Ver—
schiebeweg digital anzeigt.
In der Beschreibung und in den Figuren wird darauf verzichtet,
die Vorwärts-Rückwärtszählung durch vor— oder nacheilende
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Signale zu erörtern, da dies in zahlreichen Druckschriften ebenso ausführlich dargelegt ist, wie die Eliminierung
von Gleichstromanteilen, die sich auf die Signalsymmetrie
auswirken könnten. Ss sei nur darauf verwiesen, daß zu
diesen Zwecken zusätzliche Ablesefelder und lichtempfindliche Elemente vorzusehen sind, die in bestimmter Zuordnung
die Inkrementalteilung abtasten und in bekannter Weise schaltungstechnisch verknüpft werden müssen. Da derartige
Maßnahmen bei der Darstellung der Erfindung jedoch eher verwirren, wurde auf die Darstellung dieser bekannten
Einzelheiten verzichtet.
Die Ablesefelder A^,, A 1^,. und A'gp müssen exakt um einen
bestimmten Betrag zueinander versetzt liegen, da die resultierenden Abtastsignale durch analoge Addition zusammengefaßt
werden. Daraus ergibt sich eine höhere Genauigkeit, da eine insgesamt größere Fläche der Teilung abgetastet
wird. Unsauberkeiten der Teilung haben kleinere Signalfehler zur Folge.
Die Figur 2 zeigt einen Maßstabausschnitt, bei dem auf einer Teilungsspur des Trägerkörpers M eine Inkrementalteilung T
mit bestimmter Gitterkonstante aufgebracht ist. Eine zweite Teilungsspur weist Referenzmarken R1^ und R'p auf. Jede
der Referenzmarken R'^. und R1 ρ besteht aus einer Gruppe
paralleler Striche. Die Verteilung der Striche innerhalb der jeweiligen Gruppe ist unregelmäßig. Von entscheidender
Bedeutung ist dabei, daß die Strichverteilung innerhalb einer Gruppe eindeutig ist. Die Verteilung der Striche in
einer Strichgruppe muß der Verteilung der Striche in den Strichgrappen der anderen Referenzmarken möglichst unähnlich
sein.
In der Figur 3 ist eine einfache Abtastplatte A mit Ablese—
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feldern AT, A'RxJ und A'R2 gezeigt. Die Strichverteilung der
Ablesefelder A'R/J bzw.*A'R2 für die in Figur 2 gezeigten
Referenzmarken R* bzw. R'o gleicht dabei vollständig der
Strich verteilung der zugehörigen Referenzmarke R1^ bzw. R'g.
Bei Deckung von Referenzmarke und zugehörigem Abtastfeld wird in bekannter Weise ein Referenzimpuls hervorgerufen.
Bei phasenrichtiger Anordnung von Referenzmarken und Abtastfeldern muß im Augenblick der exakten Deckung der Markierungen
und der Abtastfelder jede der beiden Referenzmarken R1^ und R*2 ein Referenzsignal hervorrufen. Diese
Signale werden analog addiert. Es erscheint also nur ein Referenzsignal mit hohem Pegel. Durch die Identität der
Strichverteilung von Referenzmarke R1 * und Abtastfeld A'Rrf.
bzw. die Identität der Strichverteilung von Referenz— marke R1ρ und Abtastfeld A'Rp ist sichergestellt, daß nur
das zur jeweiligen Referenzmarke gehörige Abtastfeld ein Referenzsignal mit ausreichend großem Nutz-/Störsignal—
verhältnis hervorbringen kann. Werden die Abtastfelder an der jeweils nicht zugehörigen Referenzmarke vorbeibewegt,
kann kein Referenzsignal hervorgerufen werden.
Obwohl an verschiedenen Stellen des Maßstabes M Referenz— marken R'* und R1ρ angeordnet sind, wird beim Überfahren
dieser Marken nur an einer bestimmten Stelle des Maßstabes M ein Referenzsignal hervorgerufen. Damit ist der
Bezug zur Referenzmarke immer eindeutig. Bei Ausfall einer Beleuchtung L1* oder L~ wird weiterhin an der bestimmten
Stelle des Maßstabes M ein Referenzsignal hervorgerufen werden. Die zur ausgefallenen Lampe L^ oder L^ gehörige
Referenzmarke R\ oder R*ρ kann kein Referenzsignal mehr
liefern. Im ungünstigsten Fall wird der Signalpegel des ▼erbleibenden Referenzsignales geringer. Durch richtiges
Einstellen der Triggerschwelle kenn dieser Nachteil belanglos werden. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung
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dieses Nachteiles kann mit einer Schaltungsmaßnahme gemäß
Figur 6 realisiert,werden.
Mit Hilfe eines gemeinsamen Vorwiderstandes R werden die Lampen L^. und Lp mit einer reduzierten Spannung betrieben,
was eine geringere Helligkeit und damit einen geringeren Fotostrom am Ausgang der lichtempfindlichen
Elemente P zur Folge hat. Durch die analoge Addition der Abtastsignale wird jedoch ein Signalpegel erzielt,
der höher ist, als der der reduzierten Einzelsignale. Auf den höheren — aus den addierten Signalen gewonnenen
— Signalpegel wird die Triggerschwelle im Auswerte—
baustein B eingestellt. Bei Ausfall einer Lampe L,- oder L~
reduziert sich der Spannungsabfall am Vorwiderstand R und die noch betriebsfähige Lampe L, oder Lp wird mit der sich
ergebenden höheren Spannung betrieben. Dadurch erhöht sich die Beleuchtungsstärke am lichtempfindlichen Element P,
was eine direkte Erhöhung des Signalpegels an dessen Ausgang zur Folge hat. Die einschlägigen Kennlinien zeigen,
daß die mit höherer Betriebsspannung betriebene verbleibende Lampe ein etwa gleich großes Abtastsignal liefert,
wie das aus Addition gewonnene Abtastsignal. Die Trigger— schwelle muß dabei nicht verändert werden. Die Dimensionie—
rung der dabei zusammenwirkenden Elemente liegt im Können eines Durchschnittsfachmanns, so daß darauf nicht näher
eingegangen werden muß.
In der Figur 4 ist schematisch eine Winkelmeßeinrichtung
dargestellt, die zusätzlich zur Winkelteilung Tw über vier Referenzmarken IL, R2, R* un<a R/j. verfügt. Auch hier weisen
die Referenzmarken R^, Rp, R, und R^ jeweils eine unterschiedliche unregelmäßige Strichverteilung auf. Die Ab—
tastplatte A enthält neben den Ablesefeldern zur Abtastung der inkrementalen Winkelteilung Tw vier weitere Ablese-
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felder, deren Strichverteilung genau der jeweils zugehörigen
Referenzmarke R,. bis R^ entspricht. Aus zeichen—
technischen Gründen können in Figur 4- die Ablesefelder nicht im einzelnen dargestellt werden, ,jedoch entspricht
die beschriebene Abtastplatte A sinngemäß der Abtast— platte A bei der Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1 bis 3·
Figur 5 zeigt, daß jeder der Ablesestellen eine Beleuchtungseinrichtung
mit Lampe L^. bis L^, Kondensor K^. bis K^
und lichtempfindlichem Element P^,- bis Pj^ zugeordnet, ist.
Darüber hinaus sind noch lichtempfindliche Elemente P^
bis Pm^ vorgesehen, auf die hier nicht näher eingegangen
werden soll, da sie ebenso wie bei der vorher beschriebenen Längenmeßeinrichtung der inkrementalen Erfassung einer
Strecke — hier eines Bogens — in bekannter Weise dienen. Im Auswertebaustein Bw wird in bekannter Weise die analoge
Addition der vier Abtastsignale und deren Aufbereitung vorgenommen. Der Auswertebaustein Bw ist in bekannter Weise
mit einem Vorwärts—/Rückwärtszähler gemäß Figur 1 verbunden.
Auch bei der Winkelmeßeinrichtung erhöht sich durch die er— findungsgemäße Mehrfachabtastung in der vorher beschriebenen
Weise die Genauigkeit. Darüber hinaus wird durch eine "Durch-.messerablesung"
der Exzentrizitätsfehler der Teilung eliminiert. Eine Durchmesserablesung für optische Winkelmeß—
einrichtungen ist in der DE-PS 24- $4 915 bereits beschrieben.
Da jede der Referenzmarken R,, bis R^ eine spezielle Strich—
verteilung hat, und die zugehörigen Ablesefelder AR<. bis
Ag^ der Abtastplatte A über die identische Strichverteilung
verfügen, ist auch bei der gezeigten Winkelmeßeinrichtung ein eindeutiges Referenzmarkensignal zu erzeugen. Der Aus
fall einer Lampe L^ bis L^ beeinflußt die Messung nicht.
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Besonders vorteilhaft, läßt sich die Auswerteschaltung so
ausgestalten, daß bei Ausfall einer Lampe eine Signaleinrichtung diesen Fehler meldet.
Die Figur 7 zeigt schematisch die Anordnung der Teilungs— spuren nebeneinander. Der hier dargestellte Schnitt entspricht
einer Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1.
Selbstverständlich lassen sich verschiedene Referenzmarken auch auf weiteren parallelen oder konzentrischen Teilungs—
spuren anordnen und abtasten, wenn die Verwendung der Meßeinrichtung dies erfordert.
Die Erfindung ist auch nicht auf lichtelektrische inkre—
mentale Positioniereinrichtungen, die im Durchlichtverfahren
arbeiten beschränkt, sondern läßt sich sinngemäß auch bei Einrichtungen verwirklichen, die im Auflichtver—
fahren arbeiten.
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Claims (6)
1.)!Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung
zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte mit einer Abtasteinheit zum Abtasten
einer Maßverkörperung, die außer einer Inkremental
teilung wenigstens zwei Referenzmarken — jeweils in Form einer Gruppe von Markierungsstrichen
mit unregelmäßiger Strichverteilung — aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Abtasteinheit (1) enthält wenigstens eine Abtast— platte (A),
b) die Abtastplatte (A) weist Ablesefelder (A„, bzw.
Aw) für die Inkrementalteilung (T bzw. Tw) und Ab— lesefelder (A'R1, A'R2 bzw. ARx), AR2, AR^, AR4)
— jeweils in Form einer Gruppe von Markierungsstrichen mit unregelmäßiger Strichverteilung - für die Referenzmarken
(R1^1, R'2 bzw. R1, R2, R5, R^) auf,
c) jeweils nur ein Ablesefeld (A'R/i, A'R2 bzw. AR^,
AR2, AR,, AR^) in Form einer Gruppe unregelmäßig verteilter
Markierungsstriche ist identisch mit nur einer Referenzmarke (R',., R'2 bzw. R^, R~, R*, R^.)
in Form einer Gruppe unregelmäßig verteilter Markie— rungsstriche und mit dieser in Deckung bringbar,
2.) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ver-
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ORIGINAL INSPECTED
schiedenen Referenzmarken (R',., R'ο bzw. R,., Rp,
R,, R^) auf einer Teilungsspur angeordnet sind.
3·) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung
nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abtaststelle eine Beleuchtung (L,., Lp,
L,, L^) zugeordnet ist.
4.) Lichtelektrische inkrementale Winkelmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens zwei Ablesestellen diametral angeordnet sind.
5.) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß alle Beleuchtungen
(L,., L2, L,, L^) über einen gemeinsamen
Vorwiderstand (R) betrieben werden.
6.) Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5» dadurch gekennzeichnet,
daß eine Signaleinrichtung vorgesehen ist, die den Ausfall einer Beleuchtung (L,., Lp, L, oder L^) signalisiert.
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