DE4125865C2 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung - Google Patents
Längen- oder WinkelmeßeinrichtungInfo
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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.
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 TN 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)
TN = Teilungsperiode der weiteren Meßteilungen (N. Spur)
N = Anzahl der Spuren
A = Quotient zweier aufeinanderfolgender Glieder
P = Teilungsperiode der Grund-Meßteilung (1. Spur)
TN = 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
ZN = Interpolationswert der Spur N (Bruchteil einer Teilungsperiode)
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
ZN = 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 TN 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.
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
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.
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)
TN = Teilungsperioden der N Spuren nach Gleichung (1)
N = 4 Spuren
B = 100fach Interpolation
A = 10 Codewerte ab der 2. Spur
P = 100µm Teilungsperiode der 1. Spur (Grundteilung)
TN = 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
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):
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 ZN 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 ZN der einzelnen Spuren N
zu:
Die einzelnen Interpolationswerte ZN nehmen innerhalb
jeder Periode TN die Werte von 0 bis B-1 an,
da eine Periode TN 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.
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 ZN 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.
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 (6)
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
(TN) 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 (TN) 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
(TN) 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.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4125865A DE4125865C2 (de) | 1991-08-03 | 1991-08-03 | Längen- oder Winkelmeßeinrichtung |
DE9116791U DE9116791U1 (de) | 1991-08-03 | 1991-08-03 | Längen- oder Winkelmeßeinrichtung |
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EP92110883A EP0526730B1 (de) | 1991-08-03 | 1992-06-26 | Längen- oder Winkelmesseinrichtung |
DE59201523T DE59201523D1 (de) | 1991-08-03 | 1992-06-26 | Längen- oder Winkelmesseinrichtung. |
JP4205740A JP2732488B2 (ja) | 1991-08-03 | 1992-07-31 | 測長または測角装置 |
Applications Claiming Priority (2)
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