DE3035012A1

DE3035012A1 - Stellungsgeber

Info

Publication number: DE3035012A1
Application number: DE19803035012
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. 7928 Giengen Kühne
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1980-09-17
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1982-04-01
Also published as: US4421980A; JPS5783894A; FR2490810B1; DE3035012C2; FR2490810A1

Description

FIRM CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

STELLUNGSGEßER

] P 896 I G 1053

Stellungsgebcr

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Längenmessung bzw. WinkcLmcssung mit Hilfe eines photoelektrisch abgetasteten Maßstabes, also einen photoelektrischen Stellungsgeber.

Derartige Einrichtungen werden z. B. in Werkzeugmaschinen, Koordinatenmeßmaschinen, Komparatoren, Theodoliten etc. dazu benutzt, um die Stellung eines beweglichen Maschinenteils automatisch zu messen und das Meßergeb-10nis, das die aktuelle Position des Maschinenteils relativ zur feststehenden Basis repräsentiert, über eine nachgeschaltete Elektronik einer Anzeigeeinheit zuzuführen bzw. zur Steuerung der betreffenden Maschinen weiterzuverarbeiten.

Die bekannten digitalen Meßeinrichtungen mit photoelektrischer Maßstabsabtastung lassen sich nach Funktion und Aufbau in zwei Gruppen einteilen, in absolut messende Systeme, die einen sogenannten codierten Maßstab verwenden, und inkremental messende Systeme, deren Maßstab eine gleichmäßige, äquidistante Teilung besitzt. . :■

;:;;;■" Die Herstellung absolut arbeitender Meßsysteme ist sehr aufwendig, besonders wenn eine hohe Auflösung über einen relativ großen Meßbereich erzielt werden soll. Es werden nämlich bei einer Schrittanzahl a, die sich unabhängig vom gewählten Code als Quotient aus Meßbereich und kleinster noch auflösbarer Einheit ergibt, mindestens „log.a Codespuren auf dem Maßstab und ebenso viele photoelektrische Empfänger zul* Maß stabs ablesung benötigt.

Es wurde bereits versucht, diesen Aufwand dadurch zu vermindern, daß man die feinstgeteilte Codespur durch mehrere in Meßrichtung versetzt angeordnete Detektoren abtastet, wie dies beispielsweise in der DE-AS 20 30 404 gelehrt wird. Da aber die gegenseitige Entfernung dieser Detektoren direkt in die Meßgenauigkeit der Einrichtung eingeht, ist hier eine aufwendige Justierung der Detektoranordnung erforderlich. Zum anderen ist es schon wegen der ilindestabmessungen der Detektoren nicht möglich, nach diesem Prinzip ein hochauflösendes und kompaktes Meßsystem zu schaffen.

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Inkrementale Meßsysteme sind dagegen weniger aufwendig, da lediglich Maßstäbe mit einer einspurigen Rasterteilung benötigt werden, und lassen z. B. unter Ausnutzung des Moire-Effektes und elektronischer Interpolation eine sehr viel höhere Auflösung zu als absolute Meßsysteme. Da aber die 5momentane Lagebestimmung bei inkrementalen Systemen auf einer permanenten Summierung bzw. Subtraktion überfahrener Inkremente beruht, werden Meßfehler, die z. B, durch Fehlimpulse bei der schnellen Richtungsumkehr des Meßsystems entstehen, ständig akkumuliert. Dies wirkt sich insbesondere beim Betrieb des Meßsystems im quasi Stillstand nachteilig aus.

Um diesen Nachteil zu vermeiden ist es z. B. aus der DE-AS 25 40 412 bekannt, neben der Rasterteilung auf dem verwendeten linearen Maßstab eine Reihe von Marken aufzubringen, die Absolutwerte darstellen und im Zusammenwirken mit einer geeigneten AusLeseeinheit beim Überfahren zur wieder-

15holten Initialisierung des inkrementalen Meßsystems dienen. Damit wird zwar der Akkumulationszyklus verringert; der mit einem solchen Meßsystem ausgerüsteten Vorrichtung, die in regelmäßigen Abständen in eine bestimmte Position zur Initialisierung eingefahren werden muß, wird damit jedoch eine umständliche und in vielen Fällen störende Betriebsweise aufgezwun-

Diesen Nachteil besitzt auch die in der DIi-PS 24 26 212 vorgeschlagene Einrichtung, die zt^ar mehrere, in einem mit der Genauigkeit der inkrementalen Teilung festgelegten gegenseitigen Abstand angeordnete Absolutmarken besitzt und daher über ihren Meßbereich mehrfach initialisiert werden kann. Im Bereich zwischen den Marken verhält sich das Meßsystem jedoch wie ein rein inkremental arbeitendes System, da der zur Erkennung der Absolutmarken verwendete Detektor sich lediglich über den Bereich einer einzigen Marke erstreckt.

Aus der CH-PS 591 675 ist ein lineares Meßsystem bekannt, bei dem ein Rastermaßstab auf die lichtempfindliche Fläche eines linearen Photodiodenarrays abgebildet wird. Das dort beschriebene Maßsystem arbeitet jedoch rein inkremental und besitzt die vorstehend genannten prinzipiellen Nachteile iukremontalcr Systeme.

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Für angulare Stellungsgeber (Winkelencoder) sind die auf lineare SteL-lungsgeber abgestellten Bemerkungen zum Stand der Technik sinngemäß zu übertragen. Zusätzlich ist anzumerken, daß Winkelencoder empfindlich auf Exzentrizitäten des Kreismaßstabs reagieren und daraus resultierende Meßfehler durch den höheren Aufwand einer Doppelabtastung mit zwei um 180 gegeneinander versetzte Detektoren vermieden werden müssen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen über den gesamten Meßbereich absoluten Stellungsgeber zu schaffen, der im Auflösungsvermöger und baulichem Aufwand mit inkrementalen Systemen vergleichbar ist.

Λιι,·ί}> <>1κ>η<1 vim <.·ΐικ>Γ Hinrichtung nnrli dein Oberbegriff wird diese Aufgabe· gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch, gelöst, daß die inkrementale Teilung des Maßstabes durch mindestens ein Codefeld in Abschnitte geteilt ist, deren auf das Array projizierte Länge geringer als die Länge der photoempfindlichen Fläche des Arrays ist.

Dadurch wird erreicht, daß sich im gesamten Meßbereich stets das Muster mindestens eines Codefeldes auf dem Sensor der Ausleseeinheit, dem Ehotodiodenarray befindet. Somit stehen die Nummern der vom Codefeld bedeckten Dioden als Information über die Absolutlage des Meßsystems permanent auslesbar zur Verfügung. Eine Initialisierung des Systems ist daher nicht erforderlich.

La liiiior Meßeinrichtung nach der vorliegenden Erfindung sind die Vorteile eines absoluten Meßsystems mit denen eines inkrementalen Systems unter Vermeidung der beiden Systemen bislang anhaftenden Unzulänglichkeiten vereinigt. Es wird nur ein Maßstab benötigt, der im wesentlichen nur ein einziges leicht aufzubringendes inkrementales Raster trägt. Lediglich an wenigen Stellen befindet sich ein kurzes Codefeld, das beispielsweise sehr einfach durch Weglassen von Rasterstrichen der inkrementalen Teilung gebildet werden kann.

Das gleichzeitig als Sensor und Gegenraster dienende Diodenarray selbst ist zumindest in linearer Bauform ein handelsübliches Bauteil, das keiner

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/—χ

■ 7 —

besonderen nachträglichen Anpassung an das Meßsystein bedarf. Die nach diesem Prinzip aufgebaute Meßeinrichtung besitzt somit einen höchst einfachen Aufbau unabhängig davon, ob sie als lineares Wegmeßsystem oder als Winkelgeber aufgebaut ist.
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Da das Diodenarray nicht nur der Lageerkennung eines auf einem kleinen Teilbereich seiner photoelektrisch nutzbaren Oberfläche auffallenden Codefeldes dient, sonder darüber hinaus gleichzeitig in der Größenordnung der

3 Anzahl der im Array integrierten Dioden von typisch 10 · eine Information

lOüber die Position eines jeweils in festgelegter Relation zum Codefeld auf dem Maßstab angebrachten Teilstriches des Rasters liefert, läßt sich eine hochgenaue Interpolation des primär in der Größenordnung der Rasterkonstanten des Arrays aufgelösten Wertes für die Position des Codefeldes durchführen. Damit mitteln sich sowohl Teilungsfehler des Maßstabs als

15auch Fertigungstoleranzen des Arrays in hohem Maße statistisch aus. Wie die anhand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele zeigen, läßt sich das Auflösungsvermögen der Meßeinrichtung durchaus mit der eines konventionellen inkromentalen Systems vergleichen.

ist das Array zweckmäßig mit einer elektronischen Schaltungsanordnung verbunden, die aus den bei der Abtastung des Arrays gewonnenen Signalen die Position der Photodioden erkennt, auf die das Codefeld bzw. die Codefelder projiziert sind, sowie aus den Signalintensitäten der übrigen von der inkrementalen Teilung bedeckten Dioden einen Interpolationswert bildet

25_UncL aus beiden Größen den der absoluten Stellung zwischen Maßstab und Array entsprechenden Meßwert berechnet. Solche Schaltungen können entweder diskret aufgebaut sein oder durch einen entsprechend programmierten Mikroprozessor realisiert werden. Für ihre Ausführung bieten sich nach dem Stand der Technik eine Vielzahl von Möglichkeiten an.

Auf dem Maßstab eines Winkelencoders (Teilkreis) wird nur ein Codefeld benötigt, wenn das Array als geschlossener Ring ausgebildet ist, der den gesamten Meßbereich von 360° abdeckt. Für einen linearen Stcllunp;.s_Kener werden mehrere Codefelder benötigt, da der Meßbereich im allgemeinen die Länge des Arrays um ein Vielfaches übersteigt. Um auch für diesen Fall

die Eindeutigkeit der Messung zu gewährleisten, sind die Codefelder mit einer vom Array lesbaren und elektronisch verarbeitbaren Kennung zu versehen. ;

Es ist vorteilhaft, die Kennung als dual codierfee Information in das Code feld selbst einzuschreiben. Die Codefelder können dann äquidistant auf den Maßstab angeordnet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Ab,-stand der Codefelder als Kennung heranzuziehen. Die Codefelder können dann sehr einfach, beispielsweise durch Weglassen eines Teilstriches des Maßstabs hergestellt werden. Dabei ist allerdings sicherzustellen, daß in jeder Stellung des Maßstabs mindestens zwei Codefelder auf das Array projiziert werden, d. h. der Abstand der Codefelder muß kleiner als die halbe Länge der photoempfindlichen Fläche des Arrays sein.

Die Lage X des Maßstabs relativ zum Array kann in beiden. Fällen von einer elektronischen Schaltung im wesentlichen gemäß der Gleichung

X=/ a. + m · Δρ + Δχ
i=l ^X

mit

a. = Abstand der Codefelder, η = Nummer des betreffenden Codefeldes Δρ = mittlerer Diodenabstand, m = Nummer der vom Codefeld bedeckten

. τ , ,_. . ■ Photodiode

Ax = Interpolationswert

ohne großen Aufwand z. B. in Realzeit berechnet werden. Das erste Glied dieser Gleichung vereinfacht sich je nach Art des verwendeteten Nummerncodes. Für den Fall äquidistanter Codefelder im Abstand a, die einen fortlaufenden Code bilden, beispielsweise zu η · a.

Da die Einzeldioden eines Arrays im allgemeinen nicht gleichzeitig angesteuert werden, sondern von einer elektronischen Schaltung sequentiell abgetastet werden, kann ein systematischer Fehler in der Lagebestimmung dann auftreten, wenn die Messung bei bewegtem Maßstab erfolgt. Die nacheinander abgetasteten Dioden liefern dann Meßwerte mit einem von ihrer Stellung im Array und von der Geschwindigkeit des Maßstabs abhängigen Phasenfehler,

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Um diesen Fehler zu eliminieren ist es vorteilhaft, den Maßstab nicht kontinuierlich sondern durch mit dem Abtastzyklus des Diodenarrays synchronisierte kurze Lichtblitze zu beleuchten, durch die der Zeitpunkt einer Lagemessung eindeutig festgelegt ist. Da die Arrayelemente eine der 5auf sie auffallenden Lichtmenge proportionale Ladung praktisch ohne Verluste über einen relativ langen Zeitraum speichert, kann die Beleuchtung zwischen den Abtastzyklen erfolgen, während der sich das Meßsystem we iterbewegt. Auf diese Weise läßt sich die Abtastfrequenz des Arrays gezielt auf das zur Bildung des Meßwertes in Realzeit nötige Maß erniedrigen.

Eine weitere vorteilhafte Lösung zur Eliminierung des besagten systematischen Meßfehlers besteht darin, zwei Teilbereiche des Diodenarrays oder zwei einzelne Arrays gegenläufig abzutasten. Es sind Diodenarrays bekannt, deren geradzahligen und ungeradzahligen Elemente separat angesteuert werden können. Verwendet man ein derartiges Array beispielsweise in Verbindung mit einem Maßstab, dessen Teilstriche die gleiche Breite wie die Dioden des Arrays besitzen, und steuert beide Teilbereiche gegenläufig an, dann fällt der besagte Meßfehler bei der anschließenden Mittelung über die Differenzen der Signalintensitäten jeweils benachbarter Dioden, wie.

20man sofort einsieht, heraus.

Anhand der Figuren 1-4 der beigefügten Zeichnungen wird nun der Erfindungsgegenstand näher erläutert:

25Fig. 1 skizziert einen Schnitt durch ein gemäß der Erfindung aufgebautes Meßsystem senkrecht zur Richtung des Maßstabs;

Fig. 2 skizziert einen Schnitt längs der Linie H-II in Fig. 1;

3QFig. 3 stellt die Projektion eines Ausschnittes der Gitterteilung eines Maßstabs auf die Oberfläche eines Diodenarrays in einer ersten Ausführungsform dar;

Fig. 4 stellt die Projektion eines Ausschnittes der Teilung eines Maßstabs auf die Oberfläche eines Diodenarrays in einer zweiten

IO -

Ausführungsform dar.

Fig. 5 zeigt die Explosionsdarstellung eines nach der Erfindung aufgebauten Winkelencoders
5

Fig. 6 stellt die vereinfachte Teilung des Maßstabs aus Fig. 5 auf die Oberfläche eines ringförmigen Diodenarrays projiziert dar.

Das in den Figuren 1 und 2¹ skizzierte Meßsystem ist in einem am festste-10henden Maschinenteil 8 befestigten Ablesekopf 7 untergebracht, der eine Beleuchtungseinrichtung 10, 11 sowie das Photodiodenarray 3, im folgenden mit pda abgekürzt, und elektronische Bauteile 18, 19 zur Auslesung des pda 3 und Weiterverarbeitung der Ausgangssignale enthält. Die Elektronik 8, 9 ist nahe «-im pda angebracht, um eine möglichst hohe Grenzfrequenz der 15Abtastung zu erreichen.

An dem in Richtung des Pfeils 13 verschiebbaren Maschinenteil 9 ist ein Glasmaßstab 1 befestigt, der an der dem Array 3 gegenüberliegende Seite eine noch zu beschreibende, im wesentlichen inkrementale Teilung 2 trägt.

2QDurch die Lichtquelle 10 und die Linse 11 des Beieuchtungssystems wird die Teilung 2 des vom Ablesekopf 7 umgriffenen Maßstabs 1 auf die lichtempfindliche Fläche des Arrays 3 projiziert. Der Abstand zwischen der Teilung 2 und der lichtempfindlichen Fläche ist so klein, daß die Striche der Teilung 2 praktisch als scharf begrenzte Schatten auf der lichtempfindli-

2.5 chen Fläche des pda abgebildet werden. Die einzelnen Elemente des pda liefern einen Strom, der dem jeweiligen zeitlichen Integral des auf sie auffallenden Lichtstroines entspricht. Sie werden sequentiell durch eine rakcIk¹ Impuls folge abgetastet, die die in den Elementen gespeicherte Ladung ausliest und nach Abspeichern der jeweiligen Werte in einem Rechner für

30die nächstfolgende Sequenz loscht. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Gasentladungslampe sein, die synchron mit den Abtastsequenzen gezündet wird.

Anhand der Figur 3, die eine Projektion der Gitterteilung 2 auf die lichtempfindliche Fläche 5 des pda 3 darstellt, soll nachfolgend der Meßvor-

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1 -

gang, d. h. die Ermittlung der Relativposition χ zwischen den-Maschinenteilen 8 und 9 erläutert werden:

Mit 6 sind die Schatten der Teilstriche des Maßstabes 1 bezeichnet. Sie bilden eine im wesentlichen äquidistante Folge. Die photoelektrisch emp-5findliche Schicht des pda ist mit 5 bezeichnet. Sie enthält eine ebenfalls äquidistante Folge von lichtempfindlichen Elementen, deren erstes mit 5.1 und deren Mtes mit 5.M bezeichnet ist. Diese Elemente liefern entweder den vollen Strom, wenn das Licht der Beleuchtungseinrichtung die volle Breite des Elementes ausleuchtet, oder einen verminder/lten Strom, 10wenn der Schatten eines Teilstriches das Element ganz oder teilweise bedeckt. Die elektronische Schaltung, die die Elemente abtastet, kann diesen Unterschied erkennen und mit Hilfe eines einstellbaren Triggerpegels entscheiden, ob ein Element als beleuchtet oder unbeleuchtet zu zählen ist.

15Die Folge von Teilstrichen 6 ist längs des Maßstabes an einigen Stellen durch eine Codierung 4a bzw. 4b mil erbrochen. Kim· .solche Coilierim;¹, besteht aus zwei durchsichtigen LeerstoI Um 17 .-im Anfanj', und mn linde des Codefeldes 4a bzw. 4b und einer kleineren ZaIiI von St r u-.hsLel 1 en 18 bzw. 19, die in dual codierter Art entweder durchsichtig oder undurchsichtig sind. Die Orte dieser Codefelder sind definiert durch ihre Mitten χ ,

bzw. χ . Ihre äquidistanten Abstände a auf dem Maßstab sind so gewählt, daß in jeder möglichen Position mindestens ein identifizierbares Codefeld auf das pda abgebildet wird. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn gilt:

d > a + 2b

S3

Hierin sind

d - Länge der lichtempfindlichen Schicht des pda a = Abstand zwischen zwei benachbarten Codefeldern b = Breite eines Codefeldes.

30Da die Länge b eines Codefeldes sehr viel kleiner ist als die Länge a des Arrays 3, ist im wesentlichen die Bedienung a < d einzuhalten.

Die Leerstellen 17, d. h. der jeweilige Beginn oder das Ende eines Codefeldes wird über einen Kompatibilitätsvergleich durch eine dem pda nachgeschaltete logische Schaltung, die z. B. ein Computer oder ein llikroprozes-

sor sein kann, erkannt. Durch die Schaltung wird also das m-te Element 5.m des pda erkannt, in das die Mitte des η-ten Codefeldes 4b fällt. In dem in Figur 3 skizzierten Fall ist η = 6, was die logische Schaltung durch eine Decodierung der zwischen den Leerstellen 17c und 17d liegenden 5dualcn Strichfolge erkennt.

Zwcckinäßigerweise werden bei. vorgegebener pda-Länge die Größen d und a und b so gewählt, daß d nur wenig größer als die Summe von a + 2b ist, nämlich nur so viel größer als es zur Überbrückung der unvermeidlichen 10Teilungsfehler des Maßstabes und von Temperatureinflüssen erforderlich ist. Die logische Schaltung braucht dann nur 3 Fälle zu unterscheiden:

1. es liegt nur genau ein Codefeld im Bereich der lichtempfindlichen Fläche des pda. Dies ist der Fall wenn das Codefeld sich im mittleren Bereich befindet.

2. Es liegt ein vollständiges und ein unvollständiges Codefeld im Bereich dor I iiMiLcinpi ind I ieheu Fläche des pda, wie dies in Figur 3 gezeichnet ist.

3. Es liegen im Grenzfall zwei vollständige Codefelder am äußersten linken und rechten Rand der lichtempfindlichen Fläche des pda.

In den ersten beiden Fällen ist die Decodierung problemlos, da die Vollständigkeit erkannt wird. Im dritten Fall wird durch eine willkürliche Vereinbarung festgesetzt, daß z. B. das rechte Codefeld zur Indizierung benutzt wird.

Definiert man die Lage des pda relativ zum Maßstab durch die Position der rechten Kante des pda, wie es in Figur 3 durch die mit χ bezeichnete Position angedeutet wird, dann ergibt sich zunächst die ungefähre Position

a + m · Ap ■ (1)

;; 5 012

Hierin sind

χ' = die messende Position (ungefähr)

η = Nummer des Codefeldes, durch die Codierung bestimmt m = Nummer des pda-Elernentes, in das die Mitte des Codefeldes fällt Δρ = Breite eines Elementes des pda

Dadurch, daß m eine ganze Zahl ist, ist x' von dieser Gleichung nur auf _+ Δρ/2 genau bestimmt. Da Δρ je nach Bauart des pda zwischen 13 und 25 pm liegt, genügt der daraus resultierende mittlere Fehler für Präzisionsmes-IQsungen nicht. Zur Ermittlung eines exakteren Wertes für die Position χ berechnet die dem pda nachgeschaltete Elektronik einen Interpolationswert Δχ, so daß sich die zu messende Position χ zu

χ = χ' + Δχ (2)

ergibt mit

- 1/2 Ap > Δχ > 1/2 Ap

Die Genauigkeit der Interpolation wird im wesentlichen durch zwei Faktoren begrenzt: Die Teilungsfehler von Maßstab und pda und die Dynamik des vom pda abgegebenen elektrischen Signals. Für die nachfolgende Abschätzung der mit einer Interpolation erreichbaren Genauigkeit ist angenommen, daß diese Fehler bei der Bestimmung der Lage eines Kantenüberganges 5 % beträgt. Da die Gesamtbreite der photoempfindlichen Schicht gängiger pda's z. B. des 1024 Elemente umfassenden pda L 1024 c der Fa. Reticon 25 mm beträgt, läßt sich die Liijje einer Kante bit» mil einen Fehler von

. r- 25 mm „ „,. , «,-

bestimmen.

30Zur Erzeugung des Interpolationswertes Δχ können alle Kantenübergänge herangezogen werden, die nicht im Bereich eines Codefeldes liegen, also ca. 1000 Kanten. Da die oben angegebenen Fehlerursachen im wesentlichen statistischer Natur sind, ergibt sich durch Mittelung über alle Kantenübergänge ein mittlerer Fehler Λ Γ von

ORIGINAL INSPECTED

Äf = — = 0,04 um (4)

unter Berücksichtigung eines relativ großen Meßbereiches von etwa 400 mm, der sich mit 16 nur 4 Teilstriche umfassenden Codefeldern ohne weiteres irealisieren läßt, ergibt sich eine Meßgenauigkeit von 10 , die sich mit herkömmlichen absoluten Meßsystemen nicht erreichen läßt.

lk-i inkrt'iiitMiLiiL(Mi MoßsysLernen müßte übur den Nachteil der Initialisierung hiiuius die !/einheit der Teilung und damit die Zählfrequenz sehr hoch getrieben werden.

In einer zweiten Ausführungsform besitzt der Maßstab 1. die in Figur 4 skizzierte inkrementale Teilung 12, deren Teilstriche 16 durch Codefelder 14 unterbrochen sind, die jeweils aus zwei fehlenden Teilstrichen 16 gebildet sind. Hier erfolgt die Absolutwertcodierung durch die Anzahl der Striche 16 der inkrementalen Teilung 12 zwischen den Codefeldern; d. h. der Abstand a¹ _. zwischen den gezeigten Codefeldern 14a und 14b unterscheidet sich vom Abstand a' zwischen den Codefeldern 14b und 14c. Dabei

muß sichergestellt sein, daß zu jedem Zeitpunkt mindestens zwei Codefelder auf die lichtempfindliche Fläche 5 des Arrays 3 projiziert werden, um über die Abtastung der Dioden 5.1 bis 5.M die für die Berechnung des Absolutwertes χ nötige Information über die Anzahl der Striche 16 zwischen den gerade aufprojizierten Codefeldern 14 zu erhalten.

Die Anzahl der Striche 16 zwischen den Feldern 14 kann z. B. in x-Richtung nach Art einer arithmetischen Reihe regelmäßig zunehmen, so daß die dem Array 3 nachgeschaltete Elektronik auf sehr einfache Weise aus dem gemessenen Abstand a¹ zwischen zwei Feldern 14 die aktuelle Position des

η-ten Codefeldes, die durch die Summe über alle a. bestimmt ist, berech-30nen kann. Die Ermittlung der exakten Lage χ erfolgt dann ebenso wie bereits anhand von Figur 3 beschrieben. In Gleichung 1, die für den Spezialfall von Codefeldern mit konstantem Abstand a gilt, ist der Ausdruck η · a lediglich durch die Summe über alle a. zu ersetzen.

·

In den beiden Ausführungsbeispielen für einen linearen Stellungsgeber nach den Figuren 1 bis 4 besitzen der Maßstab und das pda unterschiedliche Rasterkonstanten. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Durch die Rasterkonstanten von Maßstab und pda wird lediglich der Aufbau der elek-5tronischen Anordnung festgelegt, die z. B. den Interpolationswert bestimmt. Im folgenden Ausführungsbeispiel ist ein Winkelencoder dargestellt, dessen Maßstab und pda die gleiche Rasterkonstante besitzen, wodurch die Interpolation vereinfacht wird.

1QDas Gehäuse des in Fig. 5 dargestellten Encoders besteht aus zwei Hälften 101 und 110, die jeweils eine zentrische Bohrung besitzen, und umschließt eine auf einer durch die Bohrung gesteckten Welle 107 befestigte, transparente Scheibe 106. Auf die Scheibe 106 ist eine im wesentlichen inkrementale Teilung 108 aufgedampft, die aus einer Folge gleich großer Seg-

15mente mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit besteht. Die Scheibe 108 kann auch aus Metall bestehen, in das die lichtdurchlässigen Segmente der Teilung in Form von Fenstern eingeätzt sind. Ein ringförmiges pda 102 ist über seine Kontakte 104 mit dem als Stecker ausgebildeten Boden 105 des Gehäuseteils 101 fest verbunden. Der ebenfalls ringForniigi· Ii oh !.empfindliehe Bereich 103 des pda 102 ist dem Maßstab 108 zugekehrt.

Zwischen der Gehäusehälfte 110 und der Scheibe 107 befindet sich eine gehäusefeste Platte 109, die dicht mit Lumineszenzdioden bestückt ist. Die Dioden beleuchten durch die transparente Teilung 108 hindurch die lichtempfindliche Schicht 103 des pda 102.

Die Teilung 108 und das pda 102 besitzen das gleiche Raster womit gemeint ist, daß die Breite eines lichtdurchlässigen bzw. eines lichtundurchlässigen Segments der Teilung 108 gleich der Breite eines pda-Elementes ist

30und die Anzahl der Dioden des pda's gleich der Anzahl der Segmente der Teilung 108 ist. Lediglich an einer Stelle auf der Maßstabsteilung 108 befindet sich ein Codefeld 111, das aus drei aneinandergrenzenden lichtundurchlässigen Segmenten besteht, also durch zusätzliches Bedampfen eines einzigen lichtdurchlässigen Segmentes der inkrementalcn Teilung gebildet worden ist.

Bm ORiQiNAL

16 -

Das pda 102 besitzt eine geradzahlige Anzahl von 2048 Elementen. In Fig. in der die Projektion der Maßstabsteilung 108 auf die lichtempfindliche Fläche 103 des pda 102 skizziert ist, sind der Übersichtlichkeit wegen Ie diglich 48 Dioden dargestellt, und die Segmente der Maßstabsteilung, die natürlich den gleichen Durchmesser wie der Diodenring besitzt, sind gegen über den Dioden versetzt gezeichnet.

Die Meßwerterfassung läuft folgendermaßen ab: Das Codefeld 111 bestimmt die Winkelstellung φ des Maßstabs 108 relativ zum pda mit einer Genauigkeit, die sich aus der Breite eines pda—Elementes ergibt. Zur Ermittlung von φ kann beispielsweise eine elektronische Scha

tung verwendet werden, die die Nummern der vom Codefeld 111 völlig bedeck ten und daher das Ausgangssignal 0 liefernden Dioden in einen digitalen Winkelwert umformt. Durch das Codefeld 111 erfolgt also eine Grobablesung des Winkels φ in Einheiten des Arrays mit

wobei N die Nummer des Elementes ist, das erstmals nach einem Element mit

Photostrom 0 erneut den Photostrom 0 liefert, und N die Gesamtzahl der pda Elemente ist.

Die; "Foinabtesung" lieCcrt einen Interpolationswert Λφ, der sich aus den IVi L summon P und Q dov Pliotoströmo aller geraden Elemente ρ und ungeraden K I omotU ι· q zu

ergibt. Eine elektronische Schaltung, die aus der Signalsequenz des pda 102 den Wert für Δφ ermittelt, läßt sich ohne großen Aufwand mit wenigen Bauteilen realisieren.

Der exakte Winkel φ berechnet sich dann als Summe von φ (Grobwert) und Λφ (Interpolationswert) und gibt hochgenau und absolut die Winkellage der Wt'Ilt» 107 zum ÜchmiHO 101, 102 an.
35

BAD O

Ί Ο £

Teilt man das pda 102 in Halbkreise auf und tastet: beide Half (.en gleichzeitig ab, so wird die Meßgenauigkeit auch bei kontinuierlicher Beleuchtung durch Bewegungen der Scheibe 108 während eines Abtastzyklus nicht beeinträchtigt. Der aufgrund der Bewegung auftretende Phasenfehler geht näm-51ich in die entsprechenden Teilsummen der beiden Halbkreise mit umgekehrtem Vorzeichen ein und fallt bei der Mittelwertbildung heraus.

Unter der Voraussetzung, daß das ringförmige Photodiodenarray aus 2048 Einzeldioden besteht, können mit dem erfindungsgemäßen angularen Encoder IQWinkel bis auf einen Fehler von

δφ - -I₅Jg- . °;⁰⁵ rad = 3,4 · 1O⁶ rad (6)

gemessen werden, wobei wieder vorausgesetzt wird, daß Teilungsfehler und 15die Dynamik des pda einen Fehler bei der Bestimmung eines Kantenüberganges von 5 % der Elementenbreite verursachen.

Dieser Winkelf ehler CMitspriehl. etwa dein ;ilioin durch dio Koinhoil dor Teilung vorgegebenen Digitalisierungslehler eine:; liorkümmLie.lion .ibsoLuLen Bit-Decoders. Ein solcher Decoder besitzt etwa einen Durchmesser von 450 mm, während der Durchmesser eines Winkelencodcrs gemäß der Erfindung um mehr als den Faktor 10 kleiner ist. Außerdem ist anzumerken, daß Exzentrizitäten der Kreisteilung 108 die Meßgenauigkeit des Encoders nicht beeinflussen, wenn sie kleiner als die Breite eines pda-Elementes sind, da

25sie sich bei der Interpolation herausmitteln, solange die Grobablesung davon nicht beeinflußt ist.

Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich, statt eines geradzahlig geteilten Maßstabes in Verbindung mit einem pda, das eine geradzahlige An-

30zahl Dioden besitzt, einen ungeradzahlig geteilten Maßstab und ein pda mit einer entsprechend ungeraden Anzahl von Elementen zu verwenden. Dadurch ändert sich nur der Aufbau der Auswerteeiektronik geringfügig, die dafür sorgen muß, daß die Photoströme der Elemente, die zunächst in das ungeradzahlige Summationsglied Q hineinlaufen nach Erkennung des Codefeldes, das dann beispielsweise aus zwei oder vier nebeneinanderliegenden Feldern

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gleicher Lichtdurcblässigkeit besteht, vom SummationSglied der geradzahligen Elemente P erfaßt werden und unigekehrt.

Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, daß das pda als Vollring ausge-5bildet ist. Wenn die Teilung 108 mehrere Godefelder besitzt, die die Eindeutigkeit der Messung sicher stellen, können auch pda's in der Form von Kreissegmenten eingesetzt werden. Weiterhin kann der Durchmesser des Ar-, rays und des Teilkreises unterschiedlich gewählt werden, wenn durch eine entsprechende Projektionsoptik gesorgt wird, daß die Kreisteilung auf die 10photoempfindliche Fläche des Arrays ζ. Β. verkleinert abgebildet wird.

20Fy/His
08.09.1980

BAD

Claims

C35Q12

Patentansprüche;

1. Einrichtung zur Längen- bzw. Winkelmessung (Sfei lunj;sj;clH'r) mittel;; eines relativ zu einem aus einer Vielzahl von Ki.nzold ioden bcstehcMiden Photodiodenarray (3, 102) bewegbaren Maßstabs (1, 106), dessen im xvesentlichen inkrementale Teilung (2, 12, 108) auf die lichtempfindliche Fläche (5, 103) des Arrays (3, 102) projiziert wird, da- , durch gekennzeichnet, daß die inkrementale Teilung (2, 12, 108) des Maßstabs (1, 106) durch mindestens ein Codefeld (4, 14, 111) in Ab-1Ö schnitte geteilt ist, deren auf das Array projizierte Länge (a, a¹, N-3) geringer als die Länge (d, N) der photoempfindlichen Fläche (5, 103) des Arrays (3, 102) ist.

2. Kinr i clitung nach Anspruch I, il.idurrli (',Hu-miiUM cluici , daß da:; ΓΙιοΐο-diodenarray (3, 102) mit einer elektronischen Schaltungsanordnung (18, 19) verbunden ist, die die Nummern der Photodioden erkennt, auf die das Codefeld (4, 14, 111) projiziert ist, aus den Signalintensitäten der übrigen von der inkrementalen Teilung (2, 12, 108) bedeckten Dioden einen Interpolationswert (Ax, Λφ) bildet und aus beiden Größen den der absoluten Stellung zwischen Maßstab (1, 106) und Array (3, 102) entsprechenden Meßwert (φ, χ) berechnet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das Photodiodenarray (3, 102) aus zwei Teilen bzw. Teilbereichen besteht und eine elektronische Schaltung zur gegenläufigen, sequentiellen Abtastung der Einzeldioden beider Teile vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (10, 11, 109) für den Maßstab (1, 106) mit dem Abtastzyklus des Diodenarrays (3, 102) synchronisierte Lichtblitze kurzer Dauer aussendet.

.5. Einrichtung zur Längenmessung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (2) des linearen Maßstabs (1) mehrere äquidistant angeordnete, mit einer Kennung (18; 19) versehene Codefelder

ORIGINAL INSPECTED

(4a, 4b) enthält, deren Abstand (a) in Verbindung mit der Kennung (18; 19) ein absolutes Längenmaß verkörpert.

6. Einrichtung zur Längenmessung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (2) des linearen Maßstabs (1) mehrere Codefelder (14a-c) mit unterschiedlichem gegenseitigen Abstand (a¹) enthält und die Abstände (a¹) der Codefelder ein absolutes Längenmaß verkörpern,.

7. Ki nr icrlii mi).', zur I„^:inj;tniinessung nach Anspruch 5 und h, dadurch gekennzfichneL, d.ili die Code!elder (4, I4) bzw. deren Abstände (a, a') einen fortlaufenden Nummerncode bilden und eine elektronische Schaltungsanrodnung zur Berechnung der Lage (x) des Maßstabs (1) relativ zum Array (3) im wesentlichen gemäß der Gleichung.

X = J el. + m · Δρ + Δχ

vorgesehen ist, mit

a. = Abstand der Codefelder, η = Nummer des betreffenden Code-

feldes Ap = mittlerer Diodenabstand,

. m = Nummer der vom Codefeld be-

Λχ = intorpoLationswert .

deckten Photodiode.

S. Ii üu" ich tu ng >;ur Winke;] messung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Codefeld (111) auf der Teilung (108) des kreisförmigen e Maßstabs (106) angebracht ist und als Detektor ein ringförmiges Diodenarray (102) verwendet ist, auf dessen lichtempfindliche Fläche (103) die Maßstabsteilung (108) abgebildet ist.

9. Einrichtung zur Winkelmessung nach Anspruch.8, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Diodenarray (102) eine geradzahlige Anzahl von Dioden besitzt, die Anzahl der Teilstriche des Maßstabs (106) im wesentlichen gleich der Anzahl der Dioden des Arrays (102) ist und das Codefold (III) durch drei nnoinandergrenzende Teilstriche gleicher LichtdurchLässiglceit gebildet ist.

BAD ORIGINAL