DE3035012C2

DE3035012C2 - Einrichtung zur Winkelmessung

Info

Publication number: DE3035012C2
Application number: DE3035012A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. 7928 Giengen Kühne
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1980-09-17
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1982-08-12
Also published as: JPS5783894A; DE3035012A1; FR2490810B1; FR2490810A1; US4421980A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Winkelmessung mittels eines photoelektrisch abgetasteten Maßstabes, also einen photoelektrischen Stellungsgeber.

Derartige Einrichtungen werden 7,. B. in Werkzeugmaschinen, Theodoliten etc. dazu benutzt, um die Stellung eines beweglichen Maschinenteils automatisch zu messen und das Meßergebnis, das die aktuelle Position des Maschinenteils relativ zur feststehenden Basis repräsentiert über eine nachgeschaUete 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 System, 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 auslösbarer Einheit ergibt, mindestens 2log a Codespuren auf dem Maßstab und ebenso viele photoelektrische Empfänger zur Maßstabsablesung benötigt.

Inkremental MeßsyEteme sind dagegen weniger aufwendig, da lediglich Maßstäbe mit einer einspurigen Rasterteilung benötigt werden, und lassen z. B. unter Ausnützung des Moir6-Effektes und elektronischer Interpolation eine sehr viel höhere Auflösung zu als absolute Meßsysteme. Da aber die momentane Lagebe-Stimmung bei inkrementalen Systemen auf einer permanenten Summierung bzw. Substraktion überfahrener Inkremente beruht, werden Meßfehler, die z. B.

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40 durch Fehlerimpuls 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 für lineare Meßsysteme bekannt neben der Rasterteilung auf dem verwendeten Maßstab eine Reihe von Marken aufzubringen, die Absolutwerte darstellen und im Zusammenwirken mit einer geeigneten Ausleseeinheit beim Oberfahren zur wiederholten 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 zu Initialisierung eingefahren werden muß, wird damit jedoch eine umständliche und in vielen Fällen störende Betriebsweise aufgezwungen.

Diesen Nachteil besitzt auch die in der DE-PS 24 16 212 vorgeschlagene Einrichtung, die zwar mehrere, in einem mit der Genauigkeit der inkrementalen Teilung festgelegten gegenseitigen Abstand angeordnete Absolutmarken aufweist 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

Für angulare Stellungsgeber (Winkelencoder) sind die auf lineare Stellungsgeber abgestellten, vorstehenden Bemerkungen zum Stand der Technik sinngemäß zu übertragen. So ist aus der DE-OS 25 öl 373 ein Winkelencoder bekannt, der nach dem gleichen Prinzip wie der in der DE-PS 24 16 212 beschriebene lineare Stellungsgeber arbeitet Die Absolutmarken werden allerdings bei dem bekannten Winkelencoder durch Weglassen von Strichen der inkrementalen Teilungsspur gebildet. Zusätzlich ist anzumerken, daß Winkelencoder empfindlich auf Exzentrizitäten des Kreismaßstabs reagieren und daraus resultierende Meßfehler durch den höhreren Aufwand einer Doppelabtastung mit zwei um 180° gegeneinander versetzten Detektoren vermieden werden müssen.

In der europäischen Patentanmeldung 00 13 799 A2 ist u. a. eine Einrichtung zur Winkelmessung mittels eines relativ zu einem Photodiodenarray in Form eines Kreissegments bewegbaren Maßstabs beschrieben, dessen inkremental Teilung auf die photoempfindliche Fläche des Arrays projiziert wird. Maßstab und Array besitzen voneinander abweichende Rasterkonstanten, um ein spezielles und aufwendiges, digitales Interpolationsverfahren ausführen zu können. Daneben ist in der europäischen Patentanmeldung 00 13 799 A 2 ein absolutes lineares Meßsystem beschrieben, das aus einem linearen Photodiodenarray und einem relativ dazu bewegbaren, im wesentlichen inkremental geteilten Maßstab best besteht dessen Raster durch mehrere mit unterschiedlicher digitaler Kennung versehene Codefelder unterteilt ist. Der Aufwand zur Herstellung solcher spezieller Maßstäbe ist sehr aufwendig.

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

Ausgehend von einer Einrichtung nach dem Oberbegriff wild diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

In einer 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

Durch die Ausbildung des Arrays als Vollring wird erreicht, daß sich im gesamten Meßbereich stets das Muster eines Codefeldes auf dem Sensor der Ausleseeinheit befindet, das sehr einfach, z. B. durch Weglassen einiger Tes'Etriche an beliebiger Stelle des kreisförmigen Maßstabs gebildet wird. 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.

Da das Diodenarray nicht nur der Lageerkennung eines auf einem kleinen Teilbereich seiner photoelektrisch nutzbaren Oberfläche auffallenden Codefeldes dient, sondern darüber hinaus gleichzeitig in der Größenordnung der Anzahl der im Array integrierten Dioden von typischen 10³ · eine Information über die Position eines jeweils in festgelegeter Relation zum Codefeld auf dem Maßstab angebrachten Teilstriches ?s 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 auch 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 inkrementalen Systems vergleichen. Der bauliche 3^r> Aufwand für eine geeignete Anordnung zur Interpolation ist ohne Einbuße an Genauigkeit dann besonders gering, wenn der Maßstab und das Array die gleiche Rasterkonstante besitzen. Die Interpolation kann dann über eine Mittelung der Signalintensitäten von im wesentlichen lediglich zwei Diodengruppen des Arrays ohne großen Speicherbedarf erfolgen. Für die spezielle Ausführung der Interpolation bieten sich nach dem Stand der Technik eine Vielzahl von Möglichkeiten an.

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.

Um diesen Fehler zu eliminieren ist es vorteilhaft, den Maßstab nicht kontinuierlich, sondern durch mit dem Abtastzyklus des Diodenarray synchronisierte kurze Lichlblitze zu beleuchten, durch die der Zeitpunkt einer Lagemessung eindeutig festgelegt ist Da die Arrayelemente eine der auf 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 weiterbewegt. Auf diese Weise läßt sich die Abtastfrequenz des Arrays gezielt auf das zur Bildung des Meßwertes in Realzeit nötige Maß erniedrigen.

Anhand der F i g. 1 --2 der Zeichnungen wird nun der Erfindungsgegenstand näher erläutert:

F i g. 1 zeigt die Explosionsdarstellung eines nach der Erfindung aufgebauten Winkelcoders;

F i g. 2 stellt die vereinfachte Teilung des Maßstabs aus F i g. 1 auf die Oberfläche eines ringförmigen Diodenarrays projiziert dar.

Das Gehäuse des in F i g. 1 dargestellten Encoders besteht aus zwei Hälften 101 und 110, die jweils 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 Segmente 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 Photodiodenarray 102, nachfolgend mit pda abgekürzt ist über seine Kontakte 104 mit dem als Stecker ausgebildeten Boden 105 des Gehäuseteils 101 fest verbunden. Der ebenfalls ringförmige lichtempfindliche 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 durch Lichtblitze kurzer Dauer zwischen den Abtastzyklen 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 und 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 inkrementalen Teilung gebildet worden ist.

Das pda 102 besitzt eine geradzahlige Anzahl von 2048 Elementen. In Fig.2, in der die Projektion der Maßstabsteilung 108 auf die lichtempfindliche Fläche 103 des pda 102 skizziert ist, sind die Übersichtlichkeit wegen lediglich 48 Dioden dargestellt, und die Segmente der Maßstabsteilung, die natürlich den gleichen Durchmesser wie der Diodenring besitzt, sind gegenüber den Dioden versetzt gezeichnet.

Die Meßwerterfassung läuft folgendermaßen:
Das Codefeld 111 bestimmt die Winkelstellung Φ_ε des Maßstabs 108 relativ zum pda mit einer Genauigkeit, die sich aus der Breite eines pda-Elementes ergibt. Zur Ermittlung von Φ_ε kann beispielsweise eine elektronische Schaltung verwendet werden, die die Nummern der vom Codefeld Ul völlig bedeckten und daher das Ausgangssignal O liefernden Dioden in einen digitalen Winkelwert umformt. Durch das Codefeld 111 erfolgt also eine Grobablesung des Winkels Φ_ε in Einheiten des Arrays mit

Φ. =

Ji
N

wobei Ng die Nummer des Elementes ist, das erstmals nach einem Element mit Photostrom O erneut den Photostrom O liefert, und N die Gesamtzahl der pda-Elemente ist.
Die »Feinablesung« liefert einen Interpolationswert

ΔΦ, der sich aus den Teilsummen P und Q der Photoströme aller geraden Elemente ρ und ungeraden Elemente 9 zu

Δ Φ =

Q+p

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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_ε (Grobwert) und ΔΦ (Interpolationswert) und gibt hochgenau und absolut die Winkellage der Welle 107 zum Gehäuse 101,102 an.

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

δΦ =

2π
2048

0,05

rad = 3,4 · 10²rad

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

Dieser Winkelfehler entspricht etwa dem allein durch die Feinheit der Teilung vorgegebenen Digitalisierungsfehler eines herkömmlichen absoluten 18 Bit-Decoders. Ein solcher Decoder besitzt etwa einen Durchmesser von 450 mm, während der Durchmesser eines Winkelencoders 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 sie 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 Anzahl 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 Auswerteelektronik 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 gleicher Lichtdurchlässigkeit besteht, vom Summationsglied der geradzahligen Elemente P erfaßt werden und umgekehrt

Der Durchmesser des Arrays und des Teilkreises können unterschiedlich gewählt werden, wenn durch eine entsprechende Projektionsoptik gesorgt wird, daß die Kreisteilung auf die photoempfindliche Fläche des Arrays ζ. Β. verkleinert abgebildet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Winkelmessung (Siellungsgeber) mittels eines relativ zu einem aus einer Vielzahl von Einzeldioden bestehenden Photodiodenarray (102) bewegbaren Maßstabs (106), dessen im wesentlichen inkremental Teilung (108) auf die lichtempfindliche Fläche (103) des Arrays (102) projiziert wird, dadurch gekennzeichnet, to daß auf der Teilung (108) des kreisförmigen Maßstabs (106) ein Codefeld (111) angebracht ist, als Detektor ein als geschlossener Ring ausgebildetes Diodenarray (102) verwendet ist, und die Anzahl der Teilstriche des Maßstabs (106) gleich der Anzahl der ι s Dioden des Array (102) ist

2. Einrichtung zur Winkelmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Diodenarray (102) eine geradzahlige Anzahl von Dioden besitzt und das Codefeld (111) durch drei aneinandergrenzende Teilstriche gleicher Lichtdurchlässigkeit gebildet ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1—2, dadurch gekennzeichnet daß die Beleichtungseinrichtung (10, 11, 109) für den Maßstab (1, 106) mit dem Abtastzyklus des Diodenarrays (3, 102) synchronisierte Lichtblitze kurzer Dauer aussendet.