DE4125865C2

DE4125865C2 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4125865C2
Application number: DE4125865A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Nelle
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1991-08-03
Filing date: 1991-08-03
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2011-08-04
Also published as: DE9116791U1; DE4125865A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Längen- oder Winkel meßeinrichtungen gemäß den Oberbegriffen der An sprüche 1, 2 und 8.

Derartige Meßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeugs bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und/oder Abmessungen von Prüf objekten eingesetzt.

Bei solchen Meßeinrichtungen unterscheidet man zwischen inkrementalen Längen- oder Winkelmeßein richtungen und codierten Längen- oder Winkelmeßein richtungen.

Eine inkrementale Wegmeßeinrichtung weist einen Teilungsträger mit einer inkrementalen Teilung auf, die von einer Abtasteinrichtung zur Erzeugung von periodischen Abtastsignalen abgetastet wird, aus denen in einer Auswerteeinrichtung Zählimpulse für jedes Teilungsinkrement gewonnen werden. Die Zählung dieser Zählimpulse durch einen Zähler liefert den momentanen Positionsmeßwert und erfolgt jeweils von frei wählbaren Meßbezugslagen dieser inkrementalen Teilung ausgehend; diesen Meßbezugs lagen können zur gegenseitigen Unterscheidung co dierte Referenzmarken absolut zugeordnet sein, de ren Lage einer bestimmten Position absolut zugeord net sind.

Die an den Referenzmarken erzeugten Referenzimpulse können auf verschiedene Weise verwertet werden, z. B. zum Reproduzieren der Nullbezugslage im Zäh ler, zum Anfahren einer bestimmten Nullbezugslage zu Beginn einer Messung oder zur Kontrolle der Zäh lergebnisse des Zählers sowie zur Auswertung in einer nachgeschalteten numerischen Steuerung.

Aus der DE-AS 12 58 120 ist eine Längenmeßeinrich tung bekannt, bei der zwei stetige Strichfolgen un terschiedlicher Intervallänge auf einer Nivellier latte vorgesehen sind. In einem Teilungsbereich, welcher der Länge des kleinsten gemeinsamen Viel fachen der Intervallängen der beiden Strichfolgen entspricht, werden die Restintervalle zwischen dem Index der Ablesevorrichtung und den diesem in stei gendem oder fallendem Teilungssinn nächstliegenden Teilstrichen der Strichfolgen nacheinander mikro metrisch gemessen und aus den so erhaltenen Mikro meterablesungen die Lage des Index der Ablesevor richtung in bezug auf den Teilungsnullpunkt berech net.

Eine weitere Positionsmeßeinrichtung ist aus der WO 89/11 080 bekannt. Dort wird folgendes beschrie ben:
Um in einer Positionsmeßeinrichtung praktisch je derzeit ein lagecodiertes Signal zu erzeugen, wer den zwei Spuren mittels zweier Sensoren abgetastet, die je ein sinusförmiges Signalpaar (cos α; sin α; cos β, sin β) oder ein ähnliches periodisches Si gnal mit einer jederzeit definierten Phasenlage er zeugen, deren Periodenlänge sich wie n/n+1 verhal ten. Der gesuchte Relativabstand ergibt sich dann als Differenz der beiden Phasenlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meß einrichtung zur absoluten Positionsbestimmung zu schaffen, die inkrementale Ausgangssignale von ei ner möglichst geringen Anzahl von Spuren liefert, wobei eine hohe Auflösung und große Meßlängen ge fordert sind.

Diese Aufgabe wird mit Längen- oder Winkelmeßein richtungen gelöst, die die Merkmale der nebenge ordneten Ansprüche 1, 2 und 8 aufweisen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Meßeinrichtungen liegen darin, daß mit wenigen Inkrementalspuren ei ne absolutcodierte Position bei großer Meßlänge und mit hoher Auflösung bestimmt werden kann, wobei je de Inkrementalspur interpolationsgeeignet ist.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfin dung anhand der Schema-Zeichnungen noch näher er läutert:

Es zeigt

Fig. 1 die Kernmerkmale einer Längenmeß einrichtung;

Fig. 2 eine Maßverkörperung und

Fig. 3 eine weitere Maßverkörperung.

Eine in Fig. 1 dargestellte Längenmeßeinrichtung weist eine Beleuchtungsquelle 1 und einen Kondensor 2 auf, die paralleles Licht auf eine Maßverkörpe rung 3 richten. Die Maßverkörperung 3 weist vier Spuren mit Meßteilungen 4, 5, 6 und 7 auf, deren Teilungsperioden sich voneinander unterscheiden.

Des weiteren ist eine Abtastplatte 8 und eine De tektoreinheit 9 vorgesehen, deren Abtast- und De tektorfelder den Meßteilungen angepaßt und zugeord net sind.

Jede Spur der Meßteilungen 4, 5, 6 und 7 wird in bekannter Weise mit vier um 1/4 Teilungsperiode zu einander versetzten Abtastfeldern abgetastet. Da durch werden in bekannter Weise je Spur aus jeder Meßteilung 4, 5, 6 und 7 zwei um 1/4 Teilungsperio de zueinander versetzte sinusförmige Signale er zeugt, die in vorbestimmbaren Schritten interpola tionsfähig sind.

Die Abstufung der Teilungsperioden zueinander er möglicht eine besonders einfache und zuverlässige Auscodierung des zu ermittelnden absoluten Posi tionswertes. Die mathematischen Zusammenhänge der Teilungsabstufungen ergeben sich daraus, daß die Teilungsperiode der ersten Meßteilung 4=P ist und die Kehrwerte der Teilungsperioden T_N der weiteren Meßteilungen 5, 6, 7 abzüglich des Kehrwertes 1/P der Teilungsperiode P der ersten Meßteilung 4 eine endliche geometrische Reihe bis zum (n-1)-ten Glied für die n-te Meßteilung darstellen.

Als Formel ausgedrückt:

usw.

Da das Prinzip sowohl bei steigender Teilungsperio de als auch bei fallender Teilungsperiode gilt, können zwei allgemein gültige Formeln aufgestellt werden, nach denen die Teilungsperioden der Meßtei lungen variieren:

für positive Vorzeichen der einzelnen Glieder oder

für negative Vorzeichen der einzelnen Glieder.

Dabei bedeuten die Größen:
P = Teilungsperiode der Grund-Meßteilung (1. Spur)
T_N = Teilungsperiode der weiteren Meßteilungen (N. Spur)
N = Anzahl der Spuren
A = Quotient zweier aufeinanderfolgender Glieder

Aus der gemeinsamen Auswertung der Spuren ergibt sich der absolut codierte Positionswert CP nähe rungsweise nach folgender Formel (3):

darin bedeuten:

in der "modulo"-Berechnungsweise bedeutet:
V mod W = V - W _* integer (V/W)
P = Teilungsperiode der Grund-Meßteilung (1. Spur)
N = Anzahl der Spuren
B = Interpolationsfaktor (B Schritte innerhalb einer Teilungsperiode)
A = Quotient zweier aufeinanderfolgender Glieder
Z_N = Interpolationswert der Spur N (Bruchteil einer Teilungsperiode)

Dabei gilt das positive (+) Vorzeichen der einzel nen Glieder für Formel (1) und das negative (-) Vorzeichen für Formel (2).

Eine weitere Möglichkeit der Abstufung der Meßtei lungen hinsichtlich ihrer Teilungsperioden besteht in der Abstufung nach den Regeln einer geometri schen Folge, was sich dadurch ausdrückt, daß die Teilungsperiode der ersten Meßteilung 4=P ist und die Kehrwerte der Teilungsperioden T_N der weiteren Meßteilungen 5, 6, 7 abzüglich des Kehrwertes 1/P der Teilungsperiode P der ersten Meßteilung 4 nach einer geometrischen Folge gestuft sind.

Diese Variante wird in Formeln für die positiven Vorzeichen der Glieder bzw. die negativen Vorzei chen der Glieder wie folgt ausgedrückt:

usw.

Daraus ergibt sich allgemein für die Abstufung der Teilungsperioden:

für positive Vorzeichen der einzelnen Glieder oder

für negative Vorzeichen der einzelnen Glieder,
unter Beibehaltung der Bedeutung der einzelnen Größen, die bereits erläutert wurden.

Zur Ermittlung des absolut codierten Positionswer tes gilt dieselbe Formel (3) für CP mit positivem (+) Vorzeichen für (4) und mit negativem (-) Vorzeichen für (5), jedoch bedeuten:

Für die vier erwähnten Teilungsmöglichkeiten nach (1), (2), (4) und (5) gilt:
Bei N Spuren ist der Bereich der absoluten Codierung A^(N-1) _*B Meßschritte. Die zulässige Phasenabweichung von Spur zu Spur (bei (1) und (2)) bzw. von der 1. zur N. Spur (bei (4) und (5)) beträgt

und zwar aus folgendem Grund:
Um bei Code-Meßsystemen mit mehreren Inkremental spuren unterschiedlicher Teilung Meßfehler zu ver meiden, die bei geringfügiger Verlagerung der Spu ren zueinander infolge notwendiger Toleranzen ent stehen können, sollten die Ausgangssignale aller Spuren zunächst mit den bekannten Verfahren B-fach unterteilt werden, so daß der Meßschritt für die Grundteilung 1/B der Teilungsperiode P der Grund teilung beträgt. Durch die Interpolation der Grundteilung um den Faktor B entstehen B codierte Positionswerte der Grundteilung. Für alle weiteren Spuren sind aber aus B Interpolationsschritten nur A codierte Positionswerte, im folgenden auch Codewerte genannt, zu bilden, wobei AB/2 (speziell A=B/8 oder A=B/16) ist. Da durch ist ein fehlerfreier codierter Positionswert CP auch noch gegeben, wenn sich die Phasenlage der einzelnen Teilungsspuren zueinander um bis zu ± 1/2_*B/A verändert.

Beispiel
N = 4 Spuren
B = 100fach Interpolation
A = 10 Codewerte ab der 2. Spur
P = 100µm Teilungsperiode der 1. Spur (Grundteilung)
T_N = Teilungsperioden der N Spuren nach Gleichung (1)

T₁ = 100 µm
T₂ = 90,9090909 µm
T₃ = 90,09009009 µm
T₄ = 90,00900090009 µm
zul. Phasenfehler von Spur zu Spur

Aus den Anzeigen Z₁, Z₂, Z₃ und Z₄ der Verschie bungsbruchteile je Spur bei einer bestimmten Posi tion CP berechnet sich der Positionswert CP aus:

wobei

Bei fehlerfreier Phasenlage der Spuren zueinander ergibt sich aus den vier Anzeigen Z₁=38, Z₂=12, Z₃=39, Z₄=52 mit in die Formel (3) eingesetzten Zahlenwerten folgender codierter Positionswert CP:

Ein Phasenversatz der Spur 3 um 4 µm führt zu Z₃=43 und

Ein Phasenversatz der Spur 3 um 4 µm liefert also keine fehlerhafte Anzeige!

Wird im obigen Beispiel abweichend von der Bedingung A≦B/2 hingegen A=B=100 gewählt, ergibt sich zwar ein größerer Meßbereich A^(N-1) _*B, doch sind keine Toleranzen für die Spurlagen möglich.

Bei fehlerfreier Phasenlage der Spuren ergibt sich aus vier Anzeigen von Verschiebungsbruchteilen:
Z₁=36, Z₂=46, Z₃=94, Z₄=21 folgender codierter Positionswert CP gemäß Formel (3):

Bei einem Phasenversatz der Spur 3 um nur 1 µm ergibt sich

Ein Phasenversatz der Spur 3 um 1 µm führt in diesem Beispiel zu einer fehlerhaften Anzeige von etwa 1m!!

Die einzelnen Interpolationswerte Z_N in den jewei ligen Spuren lassen sich mit Hilfe des absolut co dierten Positionswertes CP ermitteln.

Für N Spuren ergeben sich nach (1)

bei einem Positionswert CP < A^(N-1) _*B (Meßbereich) die Interpolationswerte Z_N der einzelnen Spuren N zu:

Die einzelnen Interpolationswerte Z_N nehmen innerhalb jeder Periode T_N die Werte von 0 bis B-1 an, da eine Periode T_N in B gleiche Teile aufgeteilt wird.

Beispiel:
N = 4 Spuren
B = 100fach Interpolation,
A = 10 Codewerte innerhalb einer Teilungsperiode ab der 2. Spur,
P = 100 µm Teilungsperiode der 1. Spur.

Nach Formel (1) wird:

Der Meßbereich ist: A^(N-1) _*B=10³_*100=100000 Meßschritte, wobei

beträgt.

Für eine Position von z. B. CP=12738 µm ergeben sich für die einzelnen Spuren folgende Interpolationswerte:

Die einzelnen Interpolationswerte Z_N lassen sich als Verschiebungsbruchteile anzeigen.

Fig. 2 zeigt eine Maßverkörperung 32, deren Meß teilungen 42, 52, 62 und 72 nach einem der vor stehenden Schemata abgestuft sind. Aus zeichneri schen Gründen ist das Prinzip allerdings stark übertrieben dargestellt worden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die wirkungsmäßig mit der Lösung gemäß Fig. 2 übereinstimmt. Der Phasenversatz zwischen den einzelnen Spuren, der sich bei Anordnung der Teilung nach einer geometrischen Reihe oder Folge in Meßrichtung stetig ändert, kann bei geringen Unterschieden der Teilungsperioden im Unterschied zur Lösung gemäß Fig. 2 dadurch erreicht werden, daß für einzelne Teilungsspuren der Meßteilung 53, 63 und 73 dieselben Teilungsperioden verwendet werden, wobei nach bestimmten Blocklängen C, K_*C sprunghafte Phasenverschiebungen D und E der Meßteilung 63 und 73 vorgesehen sind.

Das heißt, die Teilungsperioden der Meßteilungen 53, 63 und 73 sind jeweils untereinander gleich, aber nach einer vorbestimmten Anzahl von Teilungsperioden erfolgen Phasensprünge in den Spuren 63 und 73, so daß die Abschnittsgrenzen einer Anzahl von Teilungsperioden je Spur blockweise variieren.

Im Beispiel sind vier Spuren gezeigt, wobei die Spuren folgenden Aufbau aufweisen:

Spur 43 (1. Spur): durchgehende Teilungsperiode P;
Spur 53 (2. Spur): durchgehende Teilungsperiode P+B/A;
Spur 63 (3. Spur):
C Abschnitte, mit einer Teilungs periode P+B/A und jeweils nach einem Abschnitt an den Ab schnittsgrenzen einen geeigneten Phasenversatz von D;
Spur 73 (4. Spur):
C Abschnitte, mit einer Teilungs periode P+B/A und jeweils nach K_*C Abschnitten an den Ab schnittsgrenzen einen anderen zu sätzlichen Phasenversatz E, so daß an diesen Abschnittsgrenzen der Phasenversatz wieder gegeben ist, wie bei Anordnung der Teilung nach einer geometrischen Reihe oder Folge entsprechend Fig. 2 gegeben wäre.

Da die erfindungsgemäße Längen- oder Winkelmeßein richtung ausschließlich Meßteilungen mit Gitter struktur - also Inkrementalteilungen - aufweist, kann die Meßeinrichtung auch als rein inkrementale Wegmeßeinrichtung arbeiten.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene opto elektrische Meßprinzip beschränkt. Auch die anderen bekannten physikalischen Meßprinzipien - wie magne tische, induktive und kapazitive Abtastungen - sind bei entsprechender Ausgestaltung von Meßteilungen und Abtasteinrichtungen möglich und stellen glatte Äquivalente dar.

Claims

1. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit einer Maß verkörperung, die mehrere Meßteilungen mit unter schiedlichen Teilungsperioden aufweist, denen jeweils Abtasteinrichtungen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Meßteilung (4) eine Teilungsperiode (T₁) mit dem Wert P aufweist und die Kehrwerte der Teilungsperioden (T_N) der weiteren Meßteilungen (5, 6, 7) abzüglich des Kehrwertes 1/P der Teilungsperiode (T₁) der ersten Meßteilung (4) eine endliche geometrische Reihe bis zum (n-1)-ten Glied für die N-te Meßteilung (T_N) darstellen.

2. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit einer Maßverkörperung, die mehrere Meßteilungen mit unterschiedlichen Teilungsperioden aufweist, denen jeweils Abtasteinrichtungen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Meßteilung (4) eine Teilungsperiode (T₁) mit dem Wert P aufweist und die Kehrwerte der Teilungsperioden (T_N) der weiteren Meßteilungen (5, 6, 7) abzüglich des Kehrwertes 1/P der Teilungsperiode (T₁) der ersten Meßteilung (4) nach einer geometrischen Folge gestuft sind.

3. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit einer Maßverkörperung, die mehrere Meßteilungen aufweist, denen jeweils Abtasteinrichtungen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Meßteilungen (53, 63, 73) dieselbe Teilungsperiode aufweisen und daß wenigstens eine dieser Meßteilungen (63, 73) mit derselben Teilungsperiode in Blöcke (C, C_*K) aufgeteilt ist, die zueinander Phasenverschiebungen (D, E) aufweisen.

4. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenver schiebung (D bzw. E) in den Spuren der Meßtei lungen (63, 73) unterschiedlich ist.

5. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit einer Maß verkörperung, die mehrere Meßteilungen mit un terschiedlichen Teilungsperioden aufweist, denen jeweils Abtasteinrichtungen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Abtasteinrichtungen (8, 9) erzeugten Signale mit an sich bekannten Verfahren unterteilt werden, wobei durch einen Unterteilungsfaktor die Anzahl der Interpolationsschritte einer Meßteilung (4) bestimmt werden und daß für die Grundteilung (4) die Anzahl B der Interpolationsschritte der Anzahl der codierten Positionswerte entsprechen und daß für die weiteren Meßteilungen (5, 6, 7) die Anzahl A der codierten Positionswerte kleiner oder gleich der halben Anzahl von Interpolationsschritten ist.

6. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen- oder Winkelmeßeinrichtung wahlweise als absolute Positionsmeßeinrichtung oder als inkrementale Wegmeßeinrichtung betreibbar ist.