DE3914739C2 - - Google Patents
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- DE3914739C2 DE3914739C2 DE3914739A DE3914739A DE3914739C2 DE 3914739 C2 DE3914739 C2 DE 3914739C2 DE 3914739 A DE3914739 A DE 3914739A DE 3914739 A DE3914739 A DE 3914739A DE 3914739 C2 DE3914739 C2 DE 3914739C2
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- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine inkrementale
Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
Als Beispiel für eine der zahlreichen diesbetref
fenden Druckschriften sei die DE 30 39 483 C2 ge
nannt. Dort wird eine Positionsmeßeinrichtung be
schrieben, bei der den einzelnen Referenzmarken
codierte Markierungen zugeordnet sind. Durch Ein
gabe der entsprechenden Codierung in die Auswerte
einheit kann jede beliebige Referenzmarke über ihre
codierte Markierung ausgewählt und zur Wirkung ge
bracht werden. Deren absolute - auf einen Bezugs
punkt bezogene - Position kann durch die Codierung
ermittelt werden.
Wenn die absolute Position der ausgewählten Refe
renzmarke nicht ermittelt zu werden braucht, kann
die Auswahl einzelner Referenzmarken auch über op
tische und/oder magnetische Schaltelemente
getroffen werden. Dies ist in der DE 25 40 412 C3
sowie in der DE 32 45 914 C1 beschrieben.
Eine andere Positionsmeßeinrichtung wird in der DE
24 16 212 C3 beschrieben. Dort sind die Referenzmarken
abstandscodiert. In der Auswerteeinheit kann
durch die inkrementelle Ermittlung des Abstandes
zweier Referenzmarken deren absolute - auf einen
Bezugspunkt bezogene - Position ermittelt werden.
In der Zeitschrift "Messen Prüfen Automatisieren",
Nov. 1985, S. 592 bis 594 ist ferner beschrieben,
daß Markierungsspuren in unterschiedlicher Ausführung
ausgebildet sein können.
Die Vielfalt der Referenzmarken-Auswahlmöglichkeiten
soll dem Käufer von Positionsmeßeinrichtungen -
im allgemeinen Werkzeugmaschinenhersteller - eine
individuelle Auswahl ermöglichen.
Für den Hersteller hat diese Typenvielfalt jedoch
den Nachteil, daß die Herstellungs- und Lagerhaltungskosten
verhältnismäßig hoch sind.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde,
durch Vereinheitlichung der kostenintensiven Baueinheiten
der Positionsmeßeinrichtungen die vorgenannten
Kosten zu reduzieren, aber dem Kunden die
Typenvielfalt zu erhalten.
Diese Aufgabe wird durch Positionsmeßeinrichtungen
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung angegeben.
Die besonderen Vorteile liegen darin, daß die Maß
verkörperung alle Informationen für die unter
schiedlichen Referenzmarken-Auswertungsarten be
reits beinhaltet und daß durch die Betriebsarten
umschaltung jederzeit die Art der Auswertung be
stimmt werden kann. Das bedeutet, daß einheitliche
Maßverkörperungen hergestellt und eingebaut werden
können, und daß zum späteren Zeitpunkt gewählt wer
den kann, ob alle (codierten) Referenzmarken aus
gewertet werden sollen, oder ob nur einzelne zur
Auswertung gelangen sollen.
Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen soll die Er
findung nachstehend anhand der Zeichnungen noch
näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1A eine Maßverkörperung;
Fig. 1B eine inkrementale Positionsmeß
einrichtung im Schnitt;
Fig. 1C eine Draufsicht auf die Positi
onsmeßeinrichtung gemäß Fig. 1B;
Fig. 1D antiparallel geschaltete Foto
elemente;
Fig. 1E ein Signaldiagramm einer Ab
tastung mit Fotoelementen gemäß
Fig. 1D;
Fig. 1F mehrere Fotoelemente;
Fig. 1G ein Signaldiagramm einer Ab
tastung mit Fotoelementen gemäß
Fig. 1F;
Fig. 2A eine andere Maßverkörperung;
Fig. 2B eine andere Positionsmeßeinrich
tung im Schnitt;
Fig. 2C eine Fotoelementeschaltung;
Fig. 2D ein Signaldiagramm einer Ab
tastung mit Fotoelementen gemäß
Fig. 2C;
Fig. 2E eine weitere Fotoelementeschal
tung;
Fig. 2F ein Signaldiagramm einer Ab
tastung mit Fotoelementen gemäß
Fig. 2E;
Fig. 3A eine weitere Maßverkörperung;
Fig. 3B eine weitere Positionsmeßeinrich
tung im Schnitt;
Fig. 3C eine Draufsicht auf die Positi
onsmeßeinrichtung gemäß Fig. 3B;
Fig. 3D eine Fotoelementeschaltung;
Fig. 3E ein Signaldiagramm einer Ab
tastung mit Fotoelementen gemäß
Fig. 3D;
Fig. 3F eine weitere Fotoelementeschal
tung und
Fig. 3G ein Signaldiagramm einer Ab
tastung mit Fotoelementen gemäß
Fig. 3F.
In Fig. 1 ist eine inkrementale Positionsmeßein
richtung P dargestellt, deren Teilabbildungen Ein
zelheiten und Signaldiagramme enthalten. Fig. 1A
zeigt eine Maßverkörperung 1 mit mehreren Infor
mations-Spuren. Auf einer der Spuren ist eine in
krementale Meßteilung 2 in Form eines Strichgitters
aufgebracht. Eine zweite Spur 3 weist eine Reihe
von codierten Referenzmarken Ri (i = 2, 3, . . . n)
auf, die in einem bestimmten Raster angeordnet
sind. Auf einer weiteren Spur, die als Schaltspur 4
bezeichnet wird, sind Markierungen Mi (i = 1, 2, 3,
. . . n) aufgebracht, die in einem anderen Raster als
dem der Referenzmarken Ri angeordnet sind. Das
Raster der Markierungen Mi beträgt ein ganzzahliges
Vielfaches des Rasters der Referenzmarken Ri. Bei
einem praxisnahen Ausführungsbeispiel hat die als
Strichgitter ausgebildete Meßteilung 2 eine Tei
lungsperiode von 20 µm, wobei das Strichgitter aus
lichtundurchlässigen Strichen und lichtdurchläs
sigen Lücken gleicher Breite besteht. Der Abstand
der Referenzmarken Ri in der zur Meßteilung 2 par
allel verlaufenden Spur 3 ist nicht konstant, son
dern er ist vielmehr definiert unterschiedlich. So
kann durch Auszählen der Meßschritte (Inkremente)
von einer Referenzmarke Ri zur nächsten Ri+1 deren
absolute Position bestimmt werden. Die Abstände
zweier Referenzmarken addieren sich hingegen immer
auf einen konstanten Abstand von 20 mm, was bedeu
tet, daß sich ca. alle 10 mm eine Referenzmarke Ri
auf der Spur 3 befindet. Die parallel verlaufende
Schaltspur 4, deren Markierungen Mi einen viel
größeren Abstand voneinander haben, als die Refe
renzmarken Ri, wird bereits bei der Herstellung der
Maßverkörperung 1 auf diese zusammen mit der Git
terteilung 2 und den Referenzmarken Ri aufgebracht.
In Fig. 1B ist eine Positionsmeßeinrichtung P
schematisch im Schnitt gezeigt. Die Maßverkörperung
1 ist geschützt im Inneren eines Gehäuses 5 ange
ordnet. Die in dieser Ansicht nicht sichtbaren In
formationsspuren gemäß Fig. 1A werden von einer
Abtasteinrichtung 6 lichtelektrisch abgetastet.
Diese Art der Abtastung ist Stand der Technik und
wird nicht näher erläutert. Die Abtasteinrichtung 6
weist u.a. ein Fotoelement 7 auf, dessen Ausgangs
spannung von der Beleuchtungsstärke einer Lampe 8
abhängt, die zur lichtelektrischen Abtastung dient.
Da diese Ausgangsspannung die Triggerschwelle für
die Referenzmarken-Abtastung repräsentiert, wird
sie als Gegentaktspannung bezeichnet und das Foto
element 7 demgemäß als Referenzmarken-Gegentaktfo
toelement 7.
Ein weiteres Fotoelement - Referenzmarkenfotoele
ment 9 genannt - dient zur Abtastung der Referenz
marken Ri in der Spur 3. Ferner sind noch Schalt
fotoelemente S 1 und S 2 vorgesehen, auf die bei der
Signaldiagramm-Erläuterung noch näher eingegangen
wird.
Fig. 1D zeigt die beiden antiparallel geschalteten
Fotoelemente 7 und 9 - also das Referenzmarkenfo
toelement 9 und das Referenzmarken-Gegentaktfoto
element 7. Beide werden von der Lampe 8 beleuchtet
und bei Relativverschiebungen zwischen
Abtasteinrichtung 6 und Maßverkörperung 1 entsteht
ein Signaldiagramm, wie es in Fig. 1E gezeigt ist.
Die waagerechte Linie 7′ stellt dabei das Niveau der
Triggerschwellenspannung dar, die vom Fotoelement 7
geliefert wird. Das Referenzmarkenfotoelement 9
liefert durch Abtastung der Referenzmarken Ri ca.
alle 10 mm einen Impuls dessen Lage durch das vor
beschriebene Auszählen absolut bestimmbar ist, was
durch die Linie 9′ veranschaulicht wird. Bei dieser
Betriebsart werden alle Referenzmarken Ri ausge
wertet.
In den Fig. 1F und 1G sind Fotoelementeschaltung
und Signaldiagramm einer anderen Betriebsart dar
gestellt. Zu den Fotoelementen 7 und 9 aus Fig. 1D
sind weitere Fotoelemente als Schaltfotoelemente S 1
und S 2 parallel geschaltet.
Diese Umschaltung der Betriebsart kann in der Ab
tastbaueinheit mit einem Schalter geschehen, aber
sie kann auch durch Umlötung der Fotoelemente oder
durch einen externen Schaltbefehl erfolgen.
Durch die zusätzlichen Schaltfotoelemente S 1 und S 2
wird der Triggerpegel angehoben. Eine zusätzliche
Lampe 10 beleuchtet das Schaltfotoelement S 1, so daß
der Triggerpegel steigt (gestrichelte waagerechte
Linie). Die Beleuchtung vom Schaltfotoelement S 1
kann aber bei anderer baulicher Ausgestaltung auch
durch die Lampe 8 erfolgen, die hier noch das
Schaltfotoelement S 2 zusätzlich beleuchtet, was den
Triggerpegel nochmals anhebt (strichpunktierte
waagerechte Linie). Das zur Auswertung einer Refe
renzmarke Ri erforderliche Niveau der Trigger
schwellenspannung bleibt jedoch durch die Spannung
des Referenzmarken-Gegentaktfotoelementes 7 wie
ursprünglich erhalten (durchgehende waagerechte Li
nie).
Referenzmarkenimpulse die oberhalb dieses Niveaus
liegen, werden nicht zur Auswertung kommen. Um die
ses Niveau überhaupt zu erreichen, ist eine im Ge
häuse 5 der Positionsmeßeinrichtung P (Fig. 1B)
verschiebbare Blende 11 vorhanden. Derartige Blen
den 11 sind aus dem eingangs gewürdigten Stand der
Technik an sich bekannt.
Die umgewählte Betriebsart erlaubt nun eine Auswahl
von einigen Referenzmarken Rk aus der Reihe von
allen Referenzmarken Ri nach folgenden Maßgaben:
An jeder Referenzmarke Ri wird ein Referenzim
puls erzeugt, der aber nicht zur Wirkung kommt,
weil durch die beleuchteten Fotoelemente 7, S 1
und S 2 der Triggerpegel zu hoch liegt.
Parallel zu den Referenzmarken Ri sind in der
Schaltspur 4 bei einigen Referenzmarken Ri,
Ri+4, Ri+8 usw. Markierungen Mi-1, Mi, Mi+1
aufgebracht. Beim Abtasten einer solchen Mar
kierung Mi sinkt der Triggerpegel, da das zuge
hörige Schaltfotoelement S 1 abgedunkelt wird.
Ein Referenzimpuls kommt dennoch nicht zur Wir
kung, da die Triggerschwelle noch nicht erreicht
wird.
Die Blende 11 kann einer der Markierungen (oder
mehrere Blenden mehreren Markierungen) Mi
zugeordnet werden, dann wird beim Abtasten auch
deren zugehöriges Schaltfotoelement S 2 abgedun
kelt und der Triggerpegel sinkt so weit, daß der
Referenzimpuls Ri+8 die Triggerschwelle über
schreitet und zur Wirkung gelangt.
Diese Betriebsart erscheint auf Anhieb umständ
lich, wenn nicht sogar überflüssig, denn der
Fachmann könnte ja einzelnen Referenzmarken Ri
in bewährter Weise gleich Blenden 11 oder der
gleichen zuordnen.
Diese Möglichkeiten sind jedoch durch die Auf
gabenstellung mit den bekannten Mitteln nicht
realisierbar, da einerseits abstandscodierte
Referenzmarken in Standard-Bauweise und ande
rerseits freie Referenzmarkenauswahl mit ein
fachen Mitteln gefordert sind.
Blenden oder Magnetschalter haben aufgrund ihrer
Bauweise eine Schaltcharakteristik, die es nicht
ermöglicht, sie einzelnen Referenzmarken Rk se
lektierend zuzuordnen, wenn diese in der be
schriebenen Weise abstandscodiert sind. Deshalb
werden bereits bei der Herstellung der Maßver
körperung 1 den Referenzmarken Ri Markierungen
Mi zugeordnet, bei denen später die Auswahl
mittels Blenden oder dergleichen möglich ist.
Die Markierungen Mi haben deshalb einen viel
größeren Abstand zueinander als die Referenz
marken Ri. Auf diese Weise wird eine Maßverkör
perung 1 geschaffen, die es später ermöglicht,
entweder die abstandscodierten Referenzmarken
Ri, oder aber Referenzmarken eines anderen Ra
sters z. B. Ri+4 auszuwerten. Darüber hinaus
läßt sich aus den Referenzmarken mit dem Raster
Ri+4, das dem Raster der Markierungen Mi ent
spricht nochmals eine Auswahl treffen. Der An
wender hat also mindestens drei Möglichkeiten,
Referenzmarken auszuwählen, während der Her
steller nur einen Typ von Maßverkörperungen 1
herstellen muß.
In Fig. 2 ist eine Variante einer Positionsmeß
einrichtung 2P gezeigt. Zur Straffung der Beschrei
bung werden grundsätzliche Aussagen zur Erfindung
nicht wiederholt; durch die Analogie kann auf die
Beschreibung zur Fig. 1 verwiesen werden. Gleich
artige Bauelemente tragen das in Fig. 1 angezogene
Bezugszeichen, dem der Figurenindex "2" bzw. "3"
voran gestellt wird.
Eine Maßverkörperung 21 weist eine weitere Schalt
spur 24a auf. Im Gegensatz zur Schaltspur 24, die
in einem bestimmten Raster Markierungen 2Mi auf
weist, die ihr zugehöriges Schaltfotoelement 2S 1
bei der Abtastung abdunkeln, dunkelt die Schaltspur
24a ihr zugehöriges Schaltfotoelement 2S 1a immer
ab, nur in dem Raster der Markierungen 2Mia
wird es beleuchtet. Diese Schaltspur 24a stellt
sozusagen das Komplement zur Schaltspur 24 dar. Je
nach Betriebsartenumschaltung führt dies zu Signal
diagrammen, wie sie in den Fig. 2D und 2F ge
zeigt sind.
Es versteht sich, daß auch bei dieser Variante die
Möglichkeit besteht, einzelnen, vorausgewählten
Referenzmarken 2Ri eine Blende oder dergleichen
zuzuordnen. Ferner besteht natürlich auch hier die
Möglichkeit, die Betriebsart zu wählen, bei der
alle Referenzmarken 2Ri ausgewertet werden.
In Fig. 3 ist eine Positionsmeßeinrichtung 3P ge
zeigt, bei der eine Komplementbildung ähnlich wie
im Beispiel aus Fig. 2 mit nur einer Schaltspur 34
durchgeführt wird. Die Schaltspur 34 ist dazu so
ausgebildet, daß die Markierungen 3Mi reflektierend
und die Zwischenräume lichtdurchlässig sind.
Zur Signalgewinnung ist ein Schaltfotoelement 3S 1
für die lichtdurchlässigen Bereiche der Schaltspur
34 auf der der Lampe 38 gegenüberliegenden Seite
der Maßverkörperung 31 angebracht. Für die reflek
tierenden Markierungen 3Mi befindet sich hingegen
ein Schaltfotoelement 3S 2 auf der gleichen Seite
der Maßverkörperung 31, wie die zugehörige Lampe
38. Es kann auch eine separate Beleuchtung in Form
einer lichtemittierenden Diode 310 vorgesehen wer
den.
Je nach Betriebsarten-Umschaltung werden die Sig
naldiagramme gemäß Fig. 3E oder 3G erzeugt.
Selbstverständlich sind auch bei dieser Ausfüh
rungsform die anderen bereits beschriebenen Be
triebsarten auswählbar, und es gilt für alle Bei
spiele, daß auch eine Betriebsart gewählt werden
kann, in der überhaupt keine Referenzmarke ausge
wertet wird.
Da der Betriebsarten-Umschalter - wie bereits er
läutert wurde - beliebig ausgebildet sein kann, ist
er nur symbolisch als Umschalter B, bzw. 2B und 3B
dargestellt und seine elektrische Beschaltung hängt
von der Bauart ab.
Bezugszeichenliste:
P, 2P, 3P Positionsmeßeinrichtung
1, 21, 31 Maßverkörperung
2, 22, 32 Meßteilung
3, 23, 33 Referenzmarkenspur
4, 24, 34 Schaltspur
24a Komplement-Schaltspur
Ri, 2Ri, 3Ri Referenzmarken
Mi, 2Mi, 3Mi Markierungen
2Mia Komplement-Markierungen
5, 25, 35 Gehäuse
6, 26, 36 Abtasteinrichtung
7, 27, 37 Referenzmarken-Gegentaktfotoelement
8, 28, 38 Lampe
9, 29, 39 Referenzmarkenfotoelement
10, 310 Zusatzbeleuchtung
S 1, 2S 1, 2S 1a, 3S 1 Schaltfotoelement
S 2, 2S 2, 3S 2 Schaltfotoelement
1, 21, 31 Maßverkörperung
2, 22, 32 Meßteilung
3, 23, 33 Referenzmarkenspur
4, 24, 34 Schaltspur
24a Komplement-Schaltspur
Ri, 2Ri, 3Ri Referenzmarken
Mi, 2Mi, 3Mi Markierungen
2Mia Komplement-Markierungen
5, 25, 35 Gehäuse
6, 26, 36 Abtasteinrichtung
7, 27, 37 Referenzmarken-Gegentaktfotoelement
8, 28, 38 Lampe
9, 29, 39 Referenzmarkenfotoelement
10, 310 Zusatzbeleuchtung
S 1, 2S 1, 2S 1a, 3S 1 Schaltfotoelement
S 2, 2S 2, 3S 2 Schaltfotoelement
Claims (6)
1. Inkrementale Positionsmeßeinrichtung mit einer
eine Meßteilung tragenden Maßverkörperung, die
wenigstens eine Reihe von Referenzmarken aufweist,
wobei einem Teil der Referenzmarken Markierungen
zur Auswahl von Referenzmarken zugeordnet
sind, sowie mit einer Auswerte- und einer
Abtasteinrichtung zum Abtasten der Maßverkörperung,
und zur Erzeugung von Referenzmarkenimpulsen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Betriebsarten-
Umschalter (B, 2B, 3B) für mehrere Schaltzustände
vorgesehen ist, mit dem die Betriebsarten
- a) Auswertung aller Referenzmarken (Ri) und
- b) Auswertung nur der markierten oder der nicht markierten Referenzmarken (Ri, Ri+4, Ri+8)
auswählbar sind, wobei für die Betriebsart b)
Schaltelemente (11; S1, S2; 2S1a, 2S1, 3S1, 3S2)
vorgesehen sind, die eine Verschiebung des Triggerpegels
der Referenzmarkenimpulse abhängig von
der Anordnung der Markierungen (Mi, 2Mi, 2Mia,
3Mi) bewirken.
2. Inkrementale Positionsmeßeinrichtung nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Markierungen (Mi, 2Mi, 2Mia, 3Mi) bei der Herstellung
der Maßverkörperung (1, 21, 31) vorwählbar
auf diese aufgebracht werden und daß den
Markierungen zur endgültigen Auswahl der Referenzmarken
optische und/oder magnetische Schaltelemente
(11; S1, S2; 2S1a, 2S1; 3S1, 3S2) in der
Abtasteinrichtung (6, 26, 36) zugeordnet sind.
3. Inkrementale Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen
(Mi, 2Mi, 2Mia, 3Mi) auf zur Meßteilung
(2, 22, 32) parallelen Schaltspuren (4, 24,
24a, 34) angeordnet sind.
4. Inkrementale Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltspuren (4, 24, 24a) aus lichtdurchlässigen
(2Mia) und lichtundurchlässigen Bereichen (Mi,
2Mi, 24a) bestehen.
5. Inkrementale Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltspur (34) aus lichtdurchlässigen und reflektierenden
Bereichen (3Mi) besteht.
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