DE3322738C1

DE3322738C1 - Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3322738C1
Application number: DE19833322738
Authority: DE
Inventors: Erich Ing.(grad.) 8221 Schönberg Huber; Walter Ing.(grad.) 8225 Traunreuth Schmitt
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1983-06-24
Filing date: 1983-06-24
Publication date: 1984-10-18

Description

Gemäß F i g. ist am Bett 1 einer Bearbeitungsmaschine eine gekapselte Längenmeßeinrichtung mit einem Gehäuse 2 in Form eines Hohlprofils durch eine Schraube 3 befestigt. In diesem Gehäuse 2 ist mittels einer elastischen Klebeschicht 4 ein Maßstab 5 mit einer Teilung TM (F i g. 2) angebracht, die von einer Abtasteinheit 7 mit einer Abtastplatte 8 abgetastet wird. An einem relativ zum Bett 1 der Maschine beweglichen Schlitten 9 ist ein Montagefuß 10 in beliebiger Weise befestigt, der über eine schwertförmige Verjüngung 11 durch einen mit Dichtlippen 12 versehenen Schlitz 13 des im übrigen vollständig geschlossenen Gehäuses 2 mit einem Mitnehmer 14 verbunden ist, der an der Abtasteinheit 7 befestigt ist und die Relativbewegung des Schlittens 9 bezüglich des Betts 1 auf die Abtasteinheit 7 überträgt.
F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung der lichtelektrischen Einrichtung der Abtasteinheit 7, bei der das Licht einer Lampe 15 durch einen Kollimator 16, den Maßstab 5 und die Abtastplatte 8 auf zwei Photoelemente 17s, 172 fällt.
Das Photoelement 171 ist einem Abtastfeld F1 mit einer Teilung TA1 und das Photoelement 172 einem Abtastfeld F2 mit einer Teilung TA2 auf der Abtastplatte 8 zugeordnet. Bei der Bewegung der Abtastplatte 8 relativ zum Maßstab 5 (Doppelpfeil) erzeugen die Photoelemente 17l, 172 periodische elektrische Abtastsignale St, 52, deren Summensignal S= St + S2 über einen Anschluß 18 in nicht dargestellter Weise einer Auswerteeinheit zugeführt wird, die mit einer Anzeigeeinheit zur Anzeige der Position des Schlittens 9 bezüglich des Betts 1 verbunden ist.
In F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung Ides Lichts hinter der Teilungsebene EM des Maßstabs 5 als Funktion des Abstandes a von der Teilungsebene EM dargestellt. Diese Intensitätsverteilung I in Form einer langsam abklingenden, gleichgerichteten Sinuskurve infolge von Beugungs- und Interferenzerscheinungen weist Maxima (Talbotsche Streifen) bei einer Gitterkonstanten PM der Teilung TM des Maßstabs 5 und einer Wellenlänge 2 des Lichts in Abständen n piw2/;t (n = 0,1,2,...) von der Teilungsebene EM des Maßstabs 5 auf. Optimale elektrische Abtastsignale werden daher nur beim Abstand n pM²/# PM2/H der Teilungsebene EA der Abtastplatte 8 von der Teilungsebene EM des Maßstabs 5 erzeugt. Dieser Abstand n pM²/# PMVX muß für eine sichere Funktion der Längenmeßeinrichtung mit einer Toleranz + 0,1 pM²/# PM2/H eingehalten werden, um elektrische Abtastsignale mit ausreichendem Modulationsgrad und ausreichender Amplitude zu erhalten.
Damit auch bei größeren Abstandänderungen zwischen den Teilungsebenen EM, EA des Maßstabs 5 und der Abtastplatte 8 keine wesentliche Verringerung- des Modul ationsgrad es und der Amplitude der Abtastsignale eintritt, weist gemäß F i g. 4a die Abtastplatte 8' zwei im wesentlichen identische Abtastfelder F11, F2, mit Teilungen TA1,, TA2 auf, die um einen Betrag I' in Licht strahlenrichtung parallel zueinander versetzt sind, so daß die optischen Weglängen der Lichtstrahlen zwischen der Teilungsebene EM des Maßstabs 5 und den Teilungsebenen EA1', EA2 der beiden Abtastfelder F1,, F2, einen Gangunterschied d = c'- I' = n # PM²/2#(n = 1,2,3,...) aufweisen, wobei c'der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist. Bei Abstandsänderungen zwischen den Teilungsebenen EM, EA1', EA2 des Maßstabs 5 und der Abtastplatte 8' ist somit beispielsweise die Abnahme der Amplitude des Abtastsignals St mit einer Zunahme der Amplitude des Abtastsignals S2 verbunden, so daß das Summensignal S = St + S2 im wesentlichen unabhängig von diesen Abstandsänderungen ist. Der parallele Abstand I' der Teilungsebenen FA1,, EA2 der Abtastplatte 8' kann durch Tiefätzen der Oberfläche (Stufenätzen) erfolgen; anschließend wird die Teilung TA1,, TA21 aufgebracht.
Nach F i g. 4b weist die Abtastplatte 8" zwei Abtastfelder F1,,, F2" mit Teilungen TA1", TA2" auf, deren Teilungsebenen FA1,,, EA2" in einer Ebene liegen. Auf der Teilungsebene FA1,, des Abtastfeldes F1" ist eine transparente Schicht U" mit einem Brechungsindex c" und einer Schichtdicke l"befestigt, so daß die optischen Weglängen der Lichtstrahlen zwischen der Teilungsebene EM des Maßstabs 5 und den Teilungsebenen EA1,,, EA2" wiederum den Gangunterschied d = c" I" = n PM2/22 (n = 1,2,3,...) aufweisen.
Nach F i g. 4c besitzt die Abtastplatte 8"' zwei Abtastfelder F1". F2,,, mit Teilungen TA1''', TA2"', deren Teilungsebenen EA1"{, EA2"' ebenfalls in einer Ebene liegen. Die Abtastplatte 8"' ist jedoch um eine quer zur Meßrichtung verlaufende Drehachse gegen den Maßstab 5 so geneigt, daß die Mittelpunkte M1"', M"' der Abtastfelder F1''', F2,,, in Lichtstrahlenrichtung um einen Betrag l'''zueinander versetzt sind, so daß die optischen Weglängen der Lichtstrahlen zwischen der Teilungsebene EM des Maßstabs 5 und den Teilungsebenen EA1"', FA2,,, im Mittel ebenfalls den Gangunterschied d = c"'- 1"' = n piw2/2 (n = 1,2,3..) besitzen.
Anstelle von zwei Abtastfeldern F1, F2 können auch mehrere Abtastfelder zusammenwirken, wobei das unter Zuhilfenahme dieser Abtastfelder gewonnene überlagerte Signal bei Abstandsänderungen im wesentlichen konstant bleiben muß. Der Gangunterschied d sollte mit einer Toleranz # (0,1...0,2) pM²/2# eingehalten werden.
Den beiden Abtastfeldern F1, F2 kann anstelle der separaten Photoelemente 171, 172 auch ein gemeinsames Photoelement 17 zugeordnet werden, bei dem das Summensignal 5 intern gebildet wird.
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Claims

Patentansprüche: 1. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte mit einem Maßstab und einer Abtastplatte, die jeweils eine Teilung aufweisen und in einem bestimmten Abstand in Lichtstrahlenrichtung voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastplatte (8) wenigstens zwei Abtastfelder (F1, F2) aufweist, daß die optischen Weglängen der Lichtstrahlen zwischen der Teilungsebene (EM) des Maßstabs (5) und den Teilungsebenen (EAI, EA2) der Abtastfelder (F1, F2) im wesentlichen einen Gangunterschied d = n PM2/22 (n = 1,2,3,...) besitzen, wobei PM die Gitterkonstante des Maßstabs (5) und 2 die Schwerpunktwellenlänge des Lichts bedeuten, und daß die unter Zuhilfenahme der Abtastfelder (F1, F2) gewonnenen elektrischen'Abtastsignale (Sr, S2) überlagert werden.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschieds d = c' 1' = n PM2/22 die Teilungsebenen (EAI, EA2,) der Teilungsfelder (Fl, F21) der Abtastplatte (8') um den Betrag 1' in Lichtstrahlenrichtung parallel zueinander versetzt sind, wobei c' der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschieds d = c" I" = n PM2/22 auf einer der in einer Ebene liegenden Teilungsebenen (EA1,,, Es211) der Teilungsfelder (Fi", F211) der Abtastplatte (8") eine transparente Schicht (U') mit einer Schichtdikke 1" in Lichtstrahlenrichtung und mit einem Brechungsindex c"angeordnet ist.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschieds d = c"' 1"' = n PM2/22 die in einer Ebene liegenden Teilungsebenen (EA1, EE2"') der Teilungsfelder (F1"', F2,,,) der Abtastplatte (8"') gegen die Teilungsebene (EM) des Maßstabs (5) so geneigt sind, daß die Mittelpunkte (M1"', M2t/) der Abtastfelder (F1"', F21,1) in Lichtstrahlenrichtung um den Betrag 1"' zueinander versetzt sind, wobei c"' der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsebenen (EA1,, EA2,) der Teilungsfelder (F', F2,) der Abtastplatte (8') durch Ätzen parallel zueinander versetzt sind.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den unter Zuhilfenahme der Abtastfelder (F1, F2) gewonnenen elektrischen Abtastsignalen (S1, S2) ein Summensignal (S) gebildet wird.

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Längen-oder Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei lichtelektrischen Längen- oder Winkelmeßeinrichtungen werden die zur Messung der Relativlage der Objekte (z. B. Maschinenteile von Bearbeitungs- oder Meßmaschinen) erforderlichen elektrischen Abtastsi- gnale dadurch erzeugt, daß eine durch die Teilungen des Maßstabs und der Abtastplatte fallende parallele Lichtstrahlung bei einer'Relativbewegung zwischen Maßstab und Abtastplatte moduliert und von der Abtastplatte zugeordneten lichtelektrischen Wandlern (z. B. Photoelementen) in die entsprechenden elektrischen Abtastsignale umgewandelt wird.

Wird die Teilung eines Maßstabs von Licht geringer Strahlendivergenz in Meßrichtung (geringe Ausdehnung der Lichtquelle in Meßrichtung) durchsetzt, so ergibt sich hinter der Teilungsebene des Maßstabs eine Intensitätsverteilung des Lichts in Abhängigkeit vom Abstand von der Teilungsebene in Form einer langsam abklingenden, gleichgerichteten Sinuskurve als Folge von Beugungs- und Interferenzerscheinungen. Die Maxima dieser Sinuskurve (Talbotsche Streifen) haben bei einer Gitterkonstanten PM der Teilung des Maßstabs und einer Wellenlänge 2 des Lichts Abstände n (n = 0,1,2..) von der Teilungsebene des Maßstabs. Optimale elektrische Abtastsignale werden daher nur beim Abstand n pjw2/ der Teilungsebene der Abtastplatte von der Teilungsebene des Maßstabs erzeugt. Dieser Abstand n pj PM2/H muß für eine sichere Funktion der Meßeinrichtung mit einer Toleranz + 0,1 PM2/H eingehalten werden (Machine Shop Magazine, April 1962, Seite 208), um elektrische Abtastsignale mit ausreichendem Modulationsgrad und ausreichender Amplitude zu erhalten.

Der Erfindung.liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längen- oder Winkelmeßeinrichtung der oben genannten Gattung anzugeben, bei der die Meßgenauigkeit im wesentlichen unabhängig von Abstandsänderungen zwischen den Teilungsebenen des Maßstabs und der Abtastplatte ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei der vorgeschlagenen Meßeinrichtung auch bei größeren Abstandsänderungen zwischen den Teilungsebenen des Maßstabs und der Abtastplatte keine wesentliche Verringerung des Modulationsgrades und der Amplitude der Abtastsignale eintritt, so daß die Führungsgenauigkeit der Abtastplatte bezüglich des Maßstabs unkritisch ist und die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigt. Es brauchen somit keine hochgenauen Führungen vorgesehen sein, womit sich eine einfach aufgebaute und preisgünstige Meßeinrichtung ergibt. Die vorgeschlagenen einfachen Maßnahmen haben keine Änderungen der Außenabmessungen zur Folge, so daß die Flexibilität des Einsatzes der Meßeinrichtung an Maschinen erhalten bleibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen QUerschnitt durch eine Längenmeßeinrichtung, F i g. 2 eine schematische Darstellung der lichtelektrischen Einrichtung, F i g. 3 eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung des Lichts hinter der Teilungsebene eines Maßstabs, und F i g. 4 verMchiedene Ausbildungen von Abtastplatten.