DE4225319A1

DE4225319A1 - Absolut-Längenmeßsystem zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte

Info

Publication number: DE4225319A1
Application number: DE19924225319
Authority: DE
Inventors: Harry Prof Dr Ing Habil Trumpold; Christian Dr Ing Habil Troll; Uwe Dipl Ing Kipping
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1994-02-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Längenmeßsystem zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte und findet bei Absolut-Winkel- und Absolut-Wegmeßsystem Anwendung.

Mit DE OS 29 52 106 ist ein zweispuriges Wegmeßsystem bekannt, welches eine inkrementale Spur und eine Spur nichtperiodischer Struktur in Form von Gruppen von Markierungsstrichen aufweist. Die Gruppen von Markierungs strichen mit unregelmäßiger Strichverteilung dienen als Referenzmarken zur Bestimmung einer bestimmten Lage zwischen den beiden relativ zueinander beweglichen Objekte. Der Neigungswinkel zwischen den Strichen der beiden Spuren ist gleich und beträgt 90° zur Meßrichtung. Durch die Referenzmarken wird die Meßgenauigkeit und die Auflösung des Meßsystems nicht erhöht.

Nachteil des inkrementalen Maßstabes ist, daß sich bei Maß stabsfehlern der Meßfehler linear fortsetzt und erst bei der nächsten Referenzmarke korrigiert werden kann. Führungsrichtung und Abtastrichtung müssen sehr genau sein. Die Meßgenauigkeit hängt von der Gravur der Skale sowie von der Vergrößerung des optischen Systems ab.

Es sind weiterhin Absolut-Winkelmeßsysteme bekannt, die mehrspurige Winkelcodescheiben benutzen. Mit diesen Systemen ist jedoch nur eine begrenzte Auflösung möglich. Desweiteren treten von einem codierten Schritt zum nächsten in der Abtasteinrichtung undefinierbare Zustände auf, die zu Meßfehlern führen und nur durch einen erhöhten Aufwand korrigiert werden können.

In DE OS 34 27 067 wird ein optisches Längenmeßverfahren mit codiertem Absolutmaßstab beschrieben, der Maßstabsstriche und codierte Marken in Form von Strichcodierungen aufweist, die jedoch in einer Spur angeordnet sind, wobei die Maßstabsstriche Elemente der Strichcodierung sind. Dieses System ist wie das o.g. in seiner Dynamik begrenzt. Es kommt bei einer hohen Abtastgeschwindigkeit zu einer Verwischung des Gesamtbildes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Längenmeß verfahren zu schaffen, welches eine hohe Dynamik aufweist, mit dem Fehler des Meßsystems erkannt werden und das eine vereinfachte Konstruktion und Montage trotz hoher Meß genauigkeit gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Längenmeß verfahren zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte, bei dem am ersten Teil eine Strich struktur aus einer in Meßrichtung liegenden Spur angeordnet ist, die durch parallel dazu liegende Spuren mit Strichen längs zur Meßrichtung ergänzt werden kann, wobei die Striche innerhalb dieser Spur gleiche Winkelneigungen haben und diese Spur eine nichtperiodische Struktur aufweist und am zweiten Teil ein Sensorarray mit einer linearen Matrix von Sensorelementen angeordnet ist und mit einer Auswerteelektronik ausgestattet ist, dadurch gelöst, daß die Striche innerhalb der Spur eine unterschiedliche Winkelneigung bezüglich der Meßrichtung aufweisen. Der Winkel sollte in Abhängigkeit von der geforderten Dynamik und Auflösung im Bereich von 5°-40° liegen. Der Erfassungs bereich des Sensorarrays weist eine von den Neigungswinkeln der Striche der Spur und von der Meßrichtung abweichende Winkelneigung auf. Die Meßwerterfassung durch das Sensor array erfolgt derart, daß die Analogwerte der Auswerte einrichtung in Form von Vektoren, aus denen die Flanken werte gebildet werden, als Positionsinformation zur Verfügung gestellt werden. Dabei stellt jeweils ein Element des Sensorarrays den Mittelwert des von ihm ermittelten Helligkeitswertes zur Verfügung. Aus der Folge aller dieser Analogwerte des gesamten Sensorarrays wird die exakte Lage des Sensorarrays zur Strichstruktur bestimmt, wodurch die erzielbare Auflösung unterhalb der Teilung des Sensorarrays liegt.

Durch die Anordnung von Spuren mit Strichen parallel zur Meßrichtung wird eine Hilfsmöglichkeit zur Justierung des Meßsystems geschaffen. Die Anordnung dieser Spuren neben der Spur mit nichtperiodischer Struktur, deren Striche eine Winkelneigung parallel zur Meßrichtung aufweisen, gewähr leistet eine hohe Genauigkeit und die Möglichkeit einer Fehlerkompensation bei der Absolutpositionsbestimmung.

Ein kleiner Neigungswinkel der Striche bezüglich der Meß richtung bewirkt eine geringe Änderung der Helligkeits verteilung auf dem Sensorarray bei großer Wegänderung in Meßrichtung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispieles für ein Absolut-Wegmeßsystem näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Aufbau Längenmeßeinrichtung,

Fig. 2 Strichcode Längenmeßsystem,

Fig. 3 Ausschnitt Strichcode Längenmeßsystem.

Die in der Fig. 1 dargestellte Meßeinrichtung zeigt ein Absolut-Wegmeßsystem, das optisch die in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellte, mittels einer Lichtquelle (9) beleuchtete Strichstruktur (1, 2) des Strichcodeträgers (7) über ein optisches System (4) abtastet. Der Strichcodeträger (7) ist als lichtdurchlässiges Codelineal ausgeführt, wobei der lichtundurchlässige Strichcode auf dessen Oberfläche aufgetragen ist. Die Meßwerterfassung erfolgt über eine CCD-Zeile als Sensorarray (6). Die Analogwerte des Sensor arrays (6) werden der Auswerteeinrichtung in Form von Vektoren, aus denen die Flankenwerte (High-Low- und Low- High-Übergänge) gebildet werden, als Positionsinformationen bereitgestellt. Zur Erhöhung der Auflösung kann hierbei zusätzlich ein Interpolationsverfahren angewendet werden. Die Anordnung des Sensorarrays (6) erfolgt im rechten Winkel (β) zur Meßrichtung (5). Die optische Achse (3) liegt senkrecht zum Strichcodeträger (7) und mittig zu den Spuren (1, 2).

Der Strichcodeträger (7) weist 3 Spuren auf, die in 2 Gruppen (1, 2) eingeteilt sind. Die Striche der mittleren Spur (1) besitzen eine nichtperiodische Strichcodestruktur, gekennzeichnet durch einen flachen Anstiegswinkel (a) der Striche bezüglich der Meßrichtung (5). Neben dieser Spur ist jeweils eine Spur (2) mit Strichen parallel zur Meß richtung angeordnet.

Die Auswertung der Strichstrukturen erlaubt sowohl die Unterstützung der Justage als auch die Absolutpositions angabe mit Fehlerkorrektur. Die Absolutpositionsangabe ergibt sich aus einem von der Strichstruktur größen definierten Wegsegment, wobei auch bei sehr großen Positioniergeschwindigkeiten das Wegsegment eindeutig erfaßbar ist.

Bei Auswertung des Strichcodes zur Bestimmung der Absolut position und Unterstützung der Justage können Auswirkungen von Justageabweichungen des Meßsystems und Fertigungs toleranzen der Strichstruktur des Strichcodeträgers (7) durch Mittelung über die Anzahl der Flanken je Spur verringert werden. Die Anzahl der erfaßten Flanken je Spur erhöht bei deren Auswertung die statistische Sicherheit des Meßwertes.

Die Auswertung der Spur (1) mit nichtperiodischer Struktur ermöglicht die Bestimmung eines Wegsegmentes. Dieses Weg segment ist bei einem kleinen Winkel (Q) der Striche der Spur bezüglich der Meßrichtung (5) auch bei großen Positionierbewegungen erfaßbar.

Zur Fehlerkorrektur werden zwei Spuren (2) mit Strichen längs zur Meßrichtung (5) herangezogen. Dabei können sowohl die Abweichung von der vom Auswertesystem definierten Mitte (x′-Richtung) als auch bei Benutzung eines optischen Systems (4) Veränderungen der optischen Vergrößerung (1/1′, z′-Richtung) korrigiert werden.

Für die Justage des Meßsystems werden die beiden Spuren (2) mit Strichen längs zur Meßrichtung (5) benutzt, um das Sensorarray (6) an eine vom Auswertesystem definierte Mitte einzustellen (x′-Richtung) und um bei Benutzung eines optischen Systems (4) die optische Vergrößerung (1/1′) einzustellen (z′-Richtung). Außerdem ist es möglich, den Strichcodeträger (7) in den für Fehler relevanten Richtungen für alle Meßpositionen auszurichten, wobei die definierte Mittenposition (y-Richtung) und die Abweichung der optischen Vergrößerung (1/1′, z-Richtung) durch Lageänderung des Strichcodeträgers (7) eingestellt werden kann. Durch Nutzung der kompletten Spurinformationen aller Spuren (1, 2) kann ein Nullpositionsabgleich durchgeführt werden (x′-Richtung). Bei der Justage kann damit das Meßsystem in der Größenordnung der erfaßbaren Genauigkeit eingestellt werden.

Zur Bestimmung der Absolutposition des Meßwertes bei justierter Meßeinrichtung wird durch Auswertung der zwei Spuren (2) mit Strichen parallel zur Meßrichtung (5) der Fehler der Abweichung von der vom Auswertesystem definierten Mittenposition (x′-Richtung) und der Fehler der optischen Vergrößerung (1/1′, z′-Richtung) bei Benutzung eines optischen Systems (4) korrigiert.

Das Wegsegment wird aus der Strichfolge des Strichcodes der mittleren Spur (1) mit nichtperiodischer Strichstruktur bestimmt. Die Absolutposition ergibt sich aus dem Weg segment unter Beachtung der Fehlerkorrektur.

Die erzielbaren Vorteile der Erfindung gegenüber anderen Längenmeßsystemen sind:

- hohe Dynamik
- keine vom Auswertesystem auszugleichende Strichbreiten differenzen der Striche innerhalb der Spuren im gesamten Erfassungsbereich des Sensorarrays
- Möglichkeit der Justierung des Sensorarrays und des Trägers der Strichstruktur durch eine spezielle Auswertung der Signale des Sensorarrays ohne zusätzliche Meßgeräte
- Erkennbarkeit von durch Lageabweichungen, Verschmutzun gen, und Störungen hervorgerufenen Fehlern.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Spur mit nichtperiodischer Strichstruktur
2 Spur parallel zur Meßrichtung
3 optische Achse
4 optisches System
5 Meßrichtung
6 Sensorarray
7 Strichcodeträger
8 Erfassungsbereich des Sensorarrays
9 Lichtquelle
α Winkel zwischen Meßrichtung und Strichrichtung der Spur mit nichtperiodischer Struktur
β Winkel zwischen Meßrichtung und Erfassungsrichtung
l Länge des Erfassungsbereiches auf dem Strichcodeträger
l′ Länge des Erfassungsbereiches des Sensorarrays
x x-Koordinate des Strichcodeträgers (Meßrichtung)
y y-Koordinate des Strichcodeträgers (Erfassungsrichtung)
z z-Koordinate des Strichcodeträgers
x′ x-Koordinate des Sensorarrays
y′ y-Koordinate des Sensorarrays
z′ z-Koordinate des Sensorarrays

Claims

1. Absolut-Längenmeßsystem zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte, bei dem

- ein am ersten Teil angeordneter Strichcodeträger mit einer Strichstruktur in Form von einer in Meßrichtung liegenden Spur, wobei die Striche innerhalb der Spur gleiche Winkelneigung haben und die Spur eine nicht periodische Struktur aufweist
- und ein am zweiten Teil angeordnetes Sensorarray mit einer linearen Matrix von Sensorelementen, bei dem bei der Abtastung des Maßstabes jedes Element des Sensorarrays den Mittelwert über den von diesen Elementen ermittelten Helligkeitswert zur Verfügung stellt und aus der Folge aller dieser Werte des gesamten Sensorarrays ein Analogsignal gebildet wird
- sowie eine Auswerteelektronik, welche die im Vektor feld enthaltenen Informationen über die Lage des Sensorarrays bezüglich des Strichcodes, die Lage des Sensorarrays innerhalb der Struktur sowie numerische Informationen über die Struktur verarbeitet, verwendet werden,

dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Striche der Spur (1) eine abweichende Winkel neigung (α) bezüglich der Meßrichtung (5) aufweisen,
b) und daß der Erfassungsbereich des Sensorarrays (6) eine von der Meßrichtung (5) und der Winkel neigung (α) der Striche der Spur (1) abweichende Winkelneigung (β) besitzt.

2. Absolut-Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß neben der Spur (1) mindestens eine Spur (2) mit Strichen parallel zur Meßrichtung (5) angeordnet ist.

3. Absolut-Längenmeßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Analogsignal ein Vektorfeld gebildet wird, das den Helligkeitsverlauf über dem Sensorarray (6) unabhängig von der Teilungsschrittweite des Sensorarrays (6) beschreibt, wodurch die Bestimmungsgenauigkeit der Lage des Sensorarrays (6) zu der Spur (1) höher als die Teilungsschrittweite des Sensorarrays (6) ist.