DE3334400C1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtung der oben erwähnten Gattung von jeweils einer Abtaststelle einer Maßverkörperung mittels eines einzigen Abtastfeldes in einer Abtasteinheit ein elektrisches Abtastsignal mit definierter Nullage zu erhalten.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Abtastung der Teilung und ggf. der Referenzmarke an der jeweiligen Abtaststelle sowohl im Auflicht als auch im Durchlicht auf einfache Weise ein elektrisches Abtastsignal erhalten wird, dessen definierte Nullage nicht durch Störungen, beispielsweise durch Verschmutzungen, bei der Abtastung beeinflußt wird. Da die Beleuchtungsenergie für die Abtastung doppelt genutzt wird, kann die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinheit wesentlich verringert werden, so daß durch Wärmeeinfluß bedingte Meßfehler weitgehend vermieden werden können. Da nur noch die Hälfte der Abtastfelder zur Gewinnung der gegenphasigen Abtastsignale benötigt wird, können die Abtastfläche der Maßverkörperung halbiert und die Baugröße der Abtasteinheit wesentlich verringert werden, so daß die Flexibilität des Einsatzes der Meßeinrichtung bei Maschinen erhöht wird. Bei Meßeinrichtungen mit großem Meßbereich, bei denen die Maßverkörperung sich aus Einzelstücken zusammensetzt, entstehen beim Überfahren der Maßverkörperungsstöße keine Tastverhältnisschwankungen bei den beiden gegenphasigen Abtastsignalen, da der Stoßbereich gleichzeitig auf die beiden gegenphasigen Abtastsignale wirkt.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt Fig.1 eine lichtelektrische gekapselte Meßeinrichtung im Querschnitt, F i g. 2 einen Maßstab und eine Abtastplatte, F i g. 3 eine schematische Anordnung von Maßstab und Abtasteinrichtung im Querschnitt, F i g. 4 eine graphische Darstellung der Abtastsignale und Fig.5 eine graphische Darstellung der Referenzsignale.
• In F i g. 1 ist eine lichtelektrische gekapselte Meßeinrichtung im Querschnitt dargestellt, bei der ein Gehäuse 1 in Form eines Hohlprofils mittels einer Schraube 2 an einem zu messenden Objekt 3 in Form eines Schlittens einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine befestigt ist. Im Inneren des Gehäuses 1 ist mittels einer Klebeschicht 4 ein Maßstab Mbefestigt, der von einer Abtasteinheit A abgetastet wird. An dem anderen zu messenden Objekt 5 in Form eines Betts der Bearbeitungsmaschine ist ein Montagefuß 6 in beliebiger Weise befestigt, der über einen Mitnehmer 7 mit der Abtasteinheit A verbunden ist. Das Gehäuse 1 weist einen in Längserstreckung verlaufenden Schlitz 8 auf, der durch Dichtlippen 9 verschlossen ist, durch die der Mitnehmer 7 mit einem schwertförmigen Bereich 7' hindurchgreift. Die Abtasteinheit A ist mittels Rollen 10 an Führungsflächen des Maßstabs M und mittels Rollen 11 an einer Führungsfläche 12 des Gehäuses 1 verschiebbar.
• In Fig. 2 ist ein Glasmaßstab M mit einer inkrementalen Teilung T dargestellt, die aus in Meßrichtung X periodisch aufeinander folgenden lichtdurchlässigen Strichen (helle Striche) und lichtreflektierenden Strichen (dunkle Striche) besteht; da die lichtreflektierenden Striche bei einer Beleuchtung im Durchlicht lichtundurchlässig und im Auflicht reflektierend sind, kann dieser Maßstab Mals Durchlicht- oder als Auflichtmaßstab verwendet werden. Neben der Teilung T ist eine Referenzmarke R angeordnet, die der Teilung Tabsolut zugeordnet ist und aus einer Gruppe von aufeinander folgenden lichtdurchlässigen Strichen (helle Striche) und lichtreflektierenden Strichen (dunkle Striche) mit einer unregelmäßigen Strichverteilung und Strichbreite besteht.
• Zur Abtastung der Teilung T des Maßstabs Mist in der Abtasteinheit A eine Abtastplatte AP(F i g. 2) angeordnet, die zwei um ein Viertel der Gitterkonstanten (Teilungsperiode) der Teilung T zueinander versetzte Abtastfelder ATl, AT2 aufweist, deren Teilungen mit der Teilung T identisch sind. Die hellen Striche der Teilung der Abtastfelder AT, AT2 sind lichtdurchlässig und die dunklen Striche lichtundurchlässig und nichtreflektierend. Zur Abtastung der Referenzmarke R ist auf der Abtastplatte AP ein Abtastfeld AR angeordnet, dessen Strichgruppenverteilung mit der Strichgruppenverteilung der Referenzmarke R identisch ist; die hellen Stricbe des Abtastfeldes AR sind lichtdurchlässig und die dunklen Striche lichtundurchlässig und nichtreflektierend.
• Zur erfindungsgemäßen Abtastung des Maßstabs M gemäß F i g. 3 ist in der Abtasteinheit A eine Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle L und einem Kondensor K angeordnet, deren parallele Lichtstrahlen zuerst die Teilung des Abtastfeldes ATl der Abtastplatte AP und anschließend die Teilung T des Maßstabs M im Durchlicht durchsetzen und auf ein durchlichtbeaufschlagtes Photoelement P1D fallen, das dem Abtastfeld AT1 der Abtastplatte AP zugeordnet ist. Da die Teilung Tdes Maßstabs M lichtreflektierende Striche aufweist, können die an diesen Strichen reflektierten Lichtstrahlen auf ein auflichtbeaufschlagtes Photo element 9A fallen, das ebenfalls dem Abtastfeld ATI der Abtastplatte AP zugeordnet ist. Bei einer Relativbewegung zwischen dem Maßstab M und der Abtastplatte AP werden das durchlichtbeaufschlagte Photoelement PID und das auflichtbeaufschlagte Photo element P1A alternierend gegenphasig beleuchtet. Liegen die lichtdurchlässigen Striche der Teilung des Abtastfeldes AT der Abtastplatte AP und der Teilung T des Maßstabs M genau übereinander, empfängt das durchlichtbeaufschlagte Photoelement PlD ein Maximum und das auflichtbeaufschlagte Photo element PIA ein Minimum der Lichtintensität. Liegen dagegen die lichtdurchlässigen Striche der-Teilung des Abtastfeldes AT, der Abtastplatte AP genau über den lichtreflektierenden Strichen der Teilung T des Maßstabs M, so empfängt das durchlichtbeaufschlagte Photoelement PlD ein Minimum und das auflichtbeaufschlagte Photo element PlA ein Maximum der Lichtintensität. Zur Messung dieser Lichtmodulationen im Durchlicht und im Auflicht verlaufen die Lichtstrahlen zwischen der Beleuchtungseinheit L, Kund den Photoelementen PiD, PIA in Ebenen senkrecht zur Meßrichtung X und treffen beispielsweise unter einem Einfallswinkel a = 45" auf die Teilungsebenen der Abtastplatte APund des Maßstabs Mauf.
• In F i g. 4a sind das vom durchlichtbeaufschlagten Photoelement P1D erzeugte Abtastsignal SID und das dazu gegenphasige Abtastsignal S1A (1800 Phasenversatz) des auflichtbeaufschlagten Photo elements PIA als Funktion der Verschiebung x der Abtasteinheit A bezüglich des Maßstabs Mdargestellt. Da die Photoelemente PID.
• P1A nach F i g. 3 in Differenz an eine Impulsformerstufe I einer Auswerteeinrichtung Wangeschlossen sind, ergibt sich durch Differenzbildung aus den beiden Abtastsignalen SlD, SlA ein nullsymmetrisches Abtastsignal SIN = SlD - 51A, das in der Auswerteeinrichtung W in seinen Nullpunkten N1 getriggert und einem nicht gezeigten Zähler zur Anzeige der Relativlage der zu messenden Objekte 3,5 zugeführt wird.
• In nicht dargestellter Weise treffen die parallelen Lichtstrahlen der Beleuchtungseinheit L, K auch auf das Abtastfeld A T2 der Abtastplatte AP und anschließend auf die Teilung T des Maßstabs M und beleuchten bei der Relativbewegung zwischen dem Maßstab M und der Abtastplatte AP alternierend gegenphasig ein dem Abtastfeld A T2 zugeordnetes durchlichtbeaufschlagtes Photoelement P2D und ein zugeordnetes auflichtbeaufschlagtes Photoelement P2A, die gemäß F i g. 3 ebenfalls in Differenz an die Impulsformerstufe I der Auswerteeinrichtung W angeschlossen sind. Durch Differenzbildung der beiden von den Photoelementen P2D, P2A gelieferten Abtastsignale S2D, S2A (F i g. 4b) ergibt sich ein nullsymmetrisches Abtastsignal S2N = S2D - S2A, das in der Auswerteeinrichtung W in seinen Nullpunkten N2 getriggert wird. Dieses nullsymmetrische Abtastsignal S2N ist gegenüber dem nullsymmetrischen Abtastsignal SIN um 900 phasenversetzt und erlaubt somit die Diskriminierung der Abtastrichtung.
• In. ebenfalls nicht gezeigter Weise treffen die parallelen Lichtstrahlen der Beleuchtungseinheit L, K auch auf das Abtastfeld AR der Abtastplatte AP und anschließend auf die Referenzmarke R des Maßstabs M und beleuchten bei der Relativbewegung zwischen dem Maßstab M und der Abtastplatte AP gegenphasig ein dem Abtastfeld AR zugeordnetes durchlichtbeaufschlagtes Photoelement RPD und ein zugeordnetes auflichtbeaufschlagtes Photoelement RPA, die gemäß F i g, 3 ebenfalls in Differenz an die Impulsformerstufe I der Auswerteeinheit W angeschlossen sind. Die Differenzbildung der beiden von den Photoelementen RPD, RPA gelieferten Abtastsignale RSD, RSA (F i g. 5) ergibt ein Referenzsignal RSN = RSD - RSA mit definierten Nullagen RNzur Triggerung in der Auswerteeinrichtung W Dieses Referenzsignal RSN ist einer Stelle der Teilung T absolut zugeordnet und dient beispielsweise zum Setzen des Zählers der Meßeinrichtung auf den Wert Null bei Erreichen dieser Stelle.
• Anstelle der Teilung Tund der Referenzmarke R können auch die Teilungen der zugehörigen Abtastfelder ATI, AT2, AR lichtreflektierende Striche aufweisen. In diesem Fall durchsetzen die Lichtstrahlen der Beleuchtungseinheit L, Zuerst die Teilung Tund die Referenzmarke R des Maßstabs M und treffen anschließend auf - die Teilungen der Abtastfelder A Tl, A T2, AR.
• Die Erfindung erlaubt somit die Gewinnung von elektrischen Abtastsignalen SIN, S2N, RSN mit definierten Nullagen Nl, N2, RNaus jeweils einem einzigen Abtastfeld ATl, AT2, AR von jeweils einer Abtaststelle des Maßstabs M.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, bei der eine Maßverkörperung mit einer Teilung und ggf.

   mit wenigstens einer Referenzmarke von einer Abtasteinheit abgetastet wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß zur Gewinnung von Abtastsignalen mit definierter Nullage die Teilung (T) und ggf.

   die Referenzmarke (R) der Maßverkörperung (M) an der jeweiligen wenigstens einen Abtaststelle gleichzeitig im Durchlicht und im Auflicht abtastbar sind und daß das bei der Abtastung der Teilung (T) und ggf. der Referenzmarke (R) in der Abtasteinheit (A) im Durchlicht erzeugte Abtastsignal (SD) und ggf. Referenzsignal (RSD) und das im Auflicht erzeugte Abtastsignal (SA) und ggf. Referenzsignal (RSA) einander überlagerbar sind.
2. 2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) der Maßverkörperung (M) mittels wenigstens eines Abtastfeldes (AT) der Abtasteinheit (A) abtastbar ist, daß jedem Abtastfeld (AT) sowohl ein durchlichtbeaufschlagtes Photoelement (PD) als auch ein auflichtbeaufschlagtes Photoelement (PA) zugeordnet sind, daß die Maßverkörperung (M) als Durchlichtmaßverkörperung ausgebildet ist, daß nur die dem durchlichtbeaufschlagten Photoelement (PD) benachbarte Teilung (T) der Maßverkörperung (M) oder Teilung des Abtastfeldes (AT) lichtreflektierend ist und daß das durchlichtbeaufschlagte Photoelement (PD) und das auflichtbeaufschlagte Photoelement (PA) gegenpolig in Differenz zusammengeschaltet sind.
3. 3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 mit einer wenigstens eine Referenzmarke aufweisenden Maßverkörperung, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmarke (R) der Maßverkörperung (M) mittels eines Abtastfeldes (AR) der Abtasteinheit (A) abtastbar ist, daß dem Abtastfeld (AR) sowohl ein durchlichtbeaufschlagtes Photoelement (RPD) als auch ein auflichtbeaufschlagtes Photoelement (RPA) zugeordnet sind, daß die Maßverkörperung (M) als Durchlichtmaßverkörperung ausgebildet ist, daß nur die dem durchlichtbeaufschlagten Photoelement (RPD) benachbarte Teilung der Referenzmarke (R) oder Teilung des Abtastfeldes (AR) lichtreflektierend ist und daß das durchlichtbeaufschlagte Photoelement (RPD) und das auflichtbeaufschlagte Photoelement (RPA) gegenpolig in Differenz zusammengeschaltet sind.

   Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   In der Zeitschrift »Messen und Prüfen/Automatik«, Juni 1974 ist im Aufsatz »Neuere Entwicklungen bei photoelektrischen Längenmeßgeräten« auf Seite 373 eine Längenmeßeinrichtung (Bild 2) beschrieben, bei der die Teilung eines Maßstabs mittels Abtastfelder auf einer Abtastplatte in einer Abtasteinheit abgetastet wird.

   Die Abtastplatte (Bild 3) weist zwei Paare von Abtastfeldern für die Teilung, ein Abtastfeld für eine der Teilung zugeordnete Referenzmarke und ein Abtastfeld für einen Referenzmarkenbezug auf. Die Teilungen der Abtastfelder für die Teilung des Maßstabs sind mit dieser Teilung identisch und die Teilung des Abtastfeldes für die Referenzmarke stimmt mit der unregelmäßigen Teilung dieser Referenzmarke überein; das Abtastfeld für den Referenzmarkenbezug weist keine Teilung auf.

   Diesen Abtastfeldern auf der Abtastplatte sind jeweils Photoelemente zugeordnet, die den jeweiligen bei einer Verschiebung der Abtastplatte relativ zum Maßstab an den zusammenwirkenden Teilungen modulierten Lichtstrom in elektrische Abtastsignale umwandeln (Bild 4). Die den beiden Paaren von Abtastfeldern für die Teilung des Maßstabs zugeordneten Paare von periodischen Abtastsignalen sind jeweils um 1800 gegeneinander phasenversetzt, während zwischen diesen beiden Paaren ein Phasenversatz von 90" besteht, der eine Diskriminierung der Abtastrichtung erlaubt. Das der Referenzmarke zugeordnete Photoelement liefert bei der Abtastung der Referenzmarke ein Referenzsignal, während das Photoelement für den Referenzmarkenbezug ein Gleichlichtsignal liefert. Dieses Referenzsignal kann beispielsweise zum Reproduzieren der Nullposition im Zähler der Meßeinrichtung verwendet werden.

   Da mit den Photoelementen nur Lichtintensitäten gemessen werden können, sind die von den Photoelementen erzeugten Abtastsignale gleichspannungsbehaftet, d. h. sie liegen bei einer graphischen Darstellung einseitig zur Nullinie verschoben. Bei inkrementalen Meßeinrichtungen werden üblicherweise zur Messung der Relativlage zweier Objekte die Nulldurchgänge dieser elektrischen periodischen Abtastsignale verwendet.

   Zum Erzeugen von periodischen Abtastsignalen mit definierten Nulldurchgängen werden die beiden Photoelemente jedes Paares von Photo elementen zur Abtastung der Teilung des Maßstabs jeweils an eine Impulsformerstufe einer Auswerteeinrichtung in Differenz angeschaltet, so daß durch Differenzbildung der betreffenden periodischen Abtastsignale mit einem gegenseitigen Phasenversatz von 1800 jeweils ein nullsymmetrisches periodisches Abtastsignal entsteht, das in der Auswerteeinrichtung im Nulldurchgang getriggert und einem Zähler zur Anzeige der Meßwerte für die Relativlage der zu messenden Objekte zugeleitet wird; diese beiden periodischen nullsymmetrischen Abtastsignale weisen wiederum den zur Diskriminierung der Abtastrichtung erforderlichen Phasenversatz von 90" auf.

   Durch Anschalten der Photo elemente für die Referenzmarke und den Referenzmarkenbezug in Differenz an eine Impulsformerstufe der Auswerteeinrichtung entsteht durch Differenzbildung des Referenzsignals und des Gleichlichtsignals ein Referenzsignal mit definierten eindeutigen Nullagen zur nachfolgenden Impulsformung in der Auswerteeinrichtung.

   Da jeweils die beiden um 1800 gegeneinander phasenverschobenen periodischen Abtastsignale zur Erzeugung eines nullsymmetrischen periodischen Abtastsignals an zwei verschiedenen Abtaststellen des Maßstabs im Zusammenwirken mit den beiden in Meßrichtung gegeneinander um 1800 phasenverschobenen Abtastfeldern gewonnen werden, ergibt sich der Nachteil, daß sich bei Störungen an den beiden Abtaststellen, z. B.

   durch unterschiedliche Verschmutzungen, die Nullage des nullsymmetrischen periodischen Abtastsignals ändert. Außerdem werden für die zusammenwirkenden Abtaststellen möglichst gleiche Beleuchtungsstärken benötigt.