DE4244178C2 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Längen- oder Winkelmeß­ einrichtung mit wenigstens einer Inkrementaltei­ lung, der mindestens zwei weitere Teilungen in Form von beabstandeten Referenzmarken zum Bestimmen von absoluten Positionen zugeordnet sind, wobei eine Abtasteinheit die Inkrementalteilung zur Erzeugung von Zählsignalen und die Referenzmarken zur Er­ zeugung von Referenzmarkenimpulsen abtastet.

Derartige Meßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeuges bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und Abmessungen von Prüfobjek­ ten eingesetzt.

Die an den Referenzmarken erzeugten elektrischen Impulse können zum Reproduzieren von Referenzpositionen im Zähler, zum Anfahren einer bestimmten Position zu Beginn einer Messung, zur Kontrolle und Korrektur des Zählerstandes sowie zur Beaufschlagung einer nachgeschalteten Steuerein­ richtung dienen.

Um bei inkrementalen Meßeinrichtungen die Absolut­ position zu ermitteln, sind zwei Grundprinzipien bekannt:
Bei dem einen Prinzip ist parallel zur Inkremental­ teilung eine Reihe von Referenzmarken in festgeleg­ ten Abständen angebracht. Jeder Referenzmarke, die beim Meßvorgang zur Wirkung gelangen soll, ist ein Schaltmittel zugeordnet. Die elektrischen Ausgänge des Schaltmittels und des Abtastelementes der Refe­ renzmarken sind an eine Auswerteeinheit angeschlos­ sen, die nur dann einen Steuerimpuls an den Zähler abgibt, wenn gleichzeitig am Abtastelement und am Schaltmittel ein elektrisches Signal anliegt. Der Steuerimpuls bewirkt, daß im Zähler ein vorbestimm­ ter Zählerwert gesetzt wird. Derartige Meßeinrich­ tungen sind aus der DE 25 40 412 C3, DE 29 48 854 C2, DE 32 45 914 C1, DE 30 39 483 A1, DE 30 37 810 C2 sowie der EP 0 480 904 A2 bekannt.

Bei dem weiteren Prinzip ist ebenfalls parallel zur Inkrementalteilung eine Referenzmarkenspur angeord­ net. Die Bestimmung der Absolutposition einer Refe­ renzmarke erfolgt durch Zählen der Meßschritte (In­ kremente) zwischen zwei Referenzmarken. Eine derar­ tige Meßeinrichtung ist aus der DE 24 16 212 C3 be­ kannt. Der Maßstab weist eine inkrementale Tei­ lungsspur und eine weitere parallel angeordnete Spur mit gleichen Referenzmarken auf.

Jede Referenzmarke hat von der nächstfolgenden einen besonderen, den Absolutwert ihres Abstandes von einer Nullposition kennzeichnenden Ab­ stand. Diese unterschiedlichen Abstände zwischen benachbarten Refe­ renzmarken werden durch die Abtastung der inkrementalen Teilung ermit­ telt.

Aus der EP 0 268 558 A2 ist eine Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Parallel neben einer inkrementalen Teilungsspur ist eine erste Referenzmarkenspur mit gleichabständigen Referenzmarken sowie zumindest eine weitere Referenzmarkenspur mit ebenfalls aufeinan­ derfolgend gleichabständigen Referenzmarken vorgesehen. Die Abstände der Referenzmarken beider Spuren sind aber unterschiedlich. Die Bestim­ mung der Absolutposition einer Referenzmarke bezüglich einer Nullposition erfolgt durch Verwendung der inkrementalen Teilungsspur, indem die Ab­ stände aufeinanderfolgender Referenzmarken verschiedener Referenzmar­ kenspuren erfaßt werden.

Bei der DE 40 21 010 A1 werden zur Bestimmung der Absolutposition ebenfalls die Inkremente zwischen Referenzmarken gezählt. Neben einer inkrementalen Teilungsspur ist eine erste Spur mit fortlaufend unterschied­ lich beabstandeten Referenzmarken sowie eine zweite Spur mit abschnitts­ weise gleichbeabstandeten Referenzmarken vorgesehen.

In der EP 0 246 404 A2 ist eine Meßeinrichtung offenbart, bei der parallel zu einer inkrementalen Teilung mehrere identische Referenzmarken in unter­ schiedlichen Abständen angeordnet sind. Zur Bestimmung der Absolutposi­ tion einer Referenzmarke werden zwei aufeinanderfolgende Abstände zwi­ schen den drei in Meßrichtung vorangehenden Referenzmarken ermit­ telt. Diese beiden Abstände werden ebenfalls durch die Abtastung der inkrementalen Teilung erfaßt. Die Referenzmarken mit unterschiedlichen Abständen kön­ nen auch auf mehreren parallel angeordneten Refe­ renzmarkenspuren vorgesehen sein.

Es wurde bereits versucht, eine Meßeinrichtung zu schaffen, bei der beide Prinzipien in einer Bauein­ heit vereinigt sind. Diese Meßeinrichtung ist in der DE 39 14 739 C2 beschrieben. Parallel zur In­ krementalspur ist eine Referenzmarkenspur angeord­ net, deren Referenzmarken aufeinanderfolgend unter­ schiedliche Abstände aufweisen. Durch Auszählen der Inkremente von einer Referenzmarke zur nächsten wird deren absolute Position bestimmt. Eine weitere Spur weist eine Reihe von Markierungen auf, die in gleichen Abständen angeordnet sind. Zur Auswahl von Referenzmarken sind diese Markierungen bestimmten Referenzmarken zugeordnet. Aus diesen Markierungen kann wiederum eine ausgewählt werden, wodurch nur die ihr zugeordnete Referenzmarke zur Wirkung ge­ bracht wird. Es ist ein Betriebsarten-Umschalter vorgesehen, mit dem die Auswertung aller Referenz­ marken oder die Auswertung nur der markierten Refe­ renzmarken ermöglicht wird.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß bei großen Meßlängen die Abstände der Referenzmarken relativ groß werden, um über die gesamte Meßlänge unter­ schiedliche Abstände zu erhalten. Bei sehr kleinen Meßlängen dagegen sind die Referenzmarken so eng nebeneinander angeordnet, daß eine Auswahl einer Referenzmarke mit einfachen Mitteln nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Vereinheitlichung der Längen- oder Winkelmeßein­ richtung die Herstellungs- und Lagerkosten zu redu­ zieren und dem Anwender es zu ermöglichen, die Meß­ einrichtung seinen Bedürfnissen anzupassen und so­ mit die Einsatzmöglichkeiten der Meßeinrichtung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die Meßeinrichtungen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung angegeben.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Meßeinrichtung bereits alle Informationen für die unterschiedlichen Referenzmarken-Auswertungsarten beinhaltet, und daß durch die Betriebsartenumschal­ tung jederzeit die Art der Auswertung bestimmt wer­ den kann.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfin­ dung nachstehend anhand der Zeichnungen näher er­ läutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine lichtelektrische inkremen­ tale Längenmeßeinrichtung;

Fig. 2 eine Anordnung der Inkremental­ teilung und der Referenzmarken im Detail;

Fig. 3 eine weitere Anordnung von Refe­ renzmarken und

Fig. 4 ein Prinzip einer Auswertevor­ richtung für die Längenmeßein­ richtung gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt eine lichtelektrische inkremen­ tale Längenmeßeinrichtung mit einem Maßstab 1 der relativ zu einer Abtasteinheit 2 in Meßrichtung X verschiebbar ist. Auf dem Maßstab 1 sind eine In­ krementalteilung 3, eine erste Teilung 4 mit Refe­ renzmarken 41, 42, 43 und eine zweite Teilung 5 mit Referenzmarken 51, 52, 53, 54 aufgebracht. Zur lichtelektrischen Abtastung der Teilungen 3, 4 und 5 ist die feststehende Abtasteinheit 2 vorgesehen. Diese umfaßt eine Lichtquelle 6, deren Licht von einem Kollimator 7 gebündelt und auf die Teilungen 3, 4 und 5 gerichtet wird. Das Licht fällt durch die transparenten Bereiche der Teilungen 3, 4 und 5 sowie durch eine Abtastplatte 8 auf photoelektri­ sche Empfänger 9.

Wie in Fig. 2 im Detail dargestellt ist, weist die Inkrementalteilung 3 gleich breite Striche und Lücken auf. Bei der lichtelektrischen Abtastung werden periodische analoge elektrische Signale erzeugt, aus denen in bekannter Weise durch Triggerung zähl­ bare Rechtecksignale gebildet werden, die nachfol­ gend als Zählsignale bezeichnet werden. Die pa­ rallel zur Inkrementalteilung 3 verlaufende erste Teilung 4 besteht aus hintereinander in gleichen Abständen A angeordneten Referenzmarken 41, 42, 43. Die ebenfalls parallel zur Inkrementalteilung 3 verlaufende zweite Teilung 5 besteht aus hinterein­ ander in gleichen Abständen B angeordneten Refe­ renzmarken 51, 52, 53, 54. Die Abstände A und B unterscheiden sich um eine ganze Anzahl von In­ krementen der Inkrementalteilung 3.

Jede der Referenzmarken 41, 42, 43 und 51, 52, 53, 54 besteht aus einer Kombination von Teilstrichen, die sich über mehrere Inkremente der Inkremental­ teilung 3 erstreckt. Wenn eine derartige Referenz­ marke 41, 42, 43; 51, 52, 53, 54 unter einer ihr zugeordneten Öffnung der Abtastplatte 8 durchläuft, erzeugt der zugeordnete Empfänger 9 einen, auf ei­ nen inkrementellen Zählimpuls zentrierten Refe­ renzmarkenimpuls.

In Fig. 1 sind die Teilungen 4, 5 in Spuren ange­ ordnet, die auf einer Seite der Inkrementalteilung 3 liegen. In den Beispielen nach Fig. 2 und 3 ist jeweils eine Spur der Teilungen 4, 5 auf der einen Seite und die andere Spur auf der anderen Seite der Inkrementalteilung 3 angeordnet.

Durch die unterschiedlichen Abstände A und B erge­ ben sich unterschiedliche Abstände zwischen einer Referenzmarke 41, 42, 43 der einen Teilung 4 und einer Referenzmarke 51, 52, 53, 54 der anderen Tei­ lung 5. Aus diesen unterschiedlichen Abständen wer­ den die Absolutpositionen der Referenzmarken 41, 42, 43; 51, 52, 53, 54 bestimmt. Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, werden hierzu die Zählsignale der Inkrementalteilung 3 sowie die Re­ ferenzmarkenimpulse der Teilungen 4 und 5 einer Auswerteeinheit mit einem Speicher zugeführt. In diesem Speicher ist den unterschiedlichen Abständen der Referenzmarken 41-51, 42-52, 43-53 jeweils ein Absolutwert zugeordnet. Bezüglich der Auswertung wird auch auf die EP 0 268 558 A2 verwiesen, womit sich weitere Ausführungen erübrigen.

Es ist ein Schaltmittel 10 vorgesehen, mit dem zwischen der oben beschriebenen Betriebsart und der nachfolgend aufgeführten Betriebsart ge­ wählt werden kann. Dieses Schaltmittel 10 ist vor­ zugsweise am Positionsanzeigegerät oder am Steuer­ gerät angebracht. Der Anwender kann somit die Län­ genmeßeinrichtung seinen Bedürfnissen anpassen und flexibel einsetzen. Das Schaltmittel kann aber auch am Meßgerät selbst, beispielsweise an der Abtast­ einheit 2 angeordnet sein.

Bei dieser zweiten Betriebsart wird ebenfalls die Inkrementalteilung 3 zur Erzeugung von Zählsignalen abgetastet. Gleichzeitig werden die Referenzmarken 51, 52, 53, 54 der Teilung 5 abgetastet. Einer die­ ser Referenzmarken 52 ist ein Auswahlmittel 11 zu­ geordnet, wodurch diese Referenzmarke 52 beim Über­ fahren von der Abtasteinheit 2 aus der Reihe von Referenzmarken 51, 52, 53, 54 auswählbar ist und somit zur Wirkung gebracht wird. Beim Erkennen die­ ser ausgewählten Referenzmarke 52 wird der Zäh­ lerstand des Positionsanzeigegerätes auf einen vor­ bestimmten Wert gesetzt. Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, ist hierzu ein Speicher vorgesehen, in dem diese, der Referenzmarke 52 zugeordnete Abso­ lutposition abgespeichert ist.

Mit dem Auswahlmittel 11 können somit aus der be­ reits bei der Teilungsherstellung in zueinander festgelegten Abständen angebrachten Reihe von Refe­ renzmarken 51, 52, 53, 54 jeweils die beim Meßvor­ gang benötigten Referenzmarken 52 ausgewählt und zur Wirkung gebracht werden. Als Auswahlmittel 11 kann gemäß der DE 25 40 412 C3 ein Magnet verwendet werden, der beim Vorbeibewegen der Abtasteinheit 2 einen darauf angebrachten Reed-Schalter ansteuert, dessen elektrischer Ausgang zusammen mit dem Refe­ renzmarkenimpuls an eine Auswerteeinheit gelegt ist, die so organisiert ist, daß an ihrem Ausgang nur dann ein Steuerimpuls abgegeben wird, wenn gleichzeitig am Ausgang des Reed-Schalters ein Si­ gnal sowie der Referenzmarkenimpuls anliegt.

Die Zuordnung und Auswertung der Auswahlmittel kann auch gemäß der DE 29 48 854 C2, der DE 32 45 914 C1, der DE 30 37 810 C2 sowie der EP 0 480 904 A2 erfolgen.

Die Verwendung von zwei Teilungen 4, 5 hat den Vor­ teil, daß die Referenzmarken 41, 51; 42, 52; 43, 53 deren Abstand ermittelt wird, sehr dicht angeordnet werden können und daß trotzdem genug Raum beidsei­ tig einer Referenzmarke 52 zur Verfügung steht, um das Auswahlmittel 11 dieser Referenzmarke 52 ein­ deutig zuzuordnen.

Es ist auch möglich, den Referenzmarken 41, 42, 43 der Teilung 4 oder den Referenzmarken 41, 42, 43, 51, 52, 53, 54 beider Teilungen 4, 5 Auswahlmittel 11 zuzuordnen. Weiterhin können auch noch weitere Teilungen mit gleichbeabstandeten Referenzmarken vorgesehen sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin­ dung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Teilung 5 be­ sitzt Referenzmarken 55, 56, 57, 58 mit zueinander gleichen Abständen B über die gesamte Meßlänge. Die weitere Teilung 4 weist Referenzmarken 44, 45, 46, 47 auf, deren Abstände A1, A2, A3 zueinander unterschiedlich sind. Zur Bestimmung der Absolutposition werden die Abstände zwischen den Refe­ renzmarken 44 und 55, 45 und 56, 46 und 57 sowie 47 und 58 beider Tei­ lungen 4, 5 ermittelt. Hierzu werden beispielsweise die Inkremente zwischen der Referenzmarke 45 und 56 gezählt. Es ist auch möglich, daß zur eindeu­ tigen Zuordnung einer Absolutposition mehrere Abstände Verwendung fin­ den.

Damit die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten möglich ist, ist der Teilung 5 das Auswahlmittel 11 zugeordnet, auf dessen Veranlassung wenigstens eine die Absolutposition bestimmende Referenzmarke 58 aus­ gewählt und somit zur Wirkung gebracht wird.

Die Maßverkörperung 1 mit der Anordnung der Referenzmarken 44, 45, 46, 47; 55, 56, 57, 58 nach Fig. 3 hat weiterhin den Vorteil, daß bei Bedarf die Teilung 4 nur bei der Betriebsart a) und die Teilung 5 ausschließlich bei der Betriebsart b) Verwendung findet. Das bedeutet, daß die Referenzmarken 44, 45, 46, 47 bei der einen Betriebsart a) wie in der DE 24 16 212 C3 oder der EP 0 246 404 A2 ausgewertet werden und die Referenzmarken 55, 56, 57, 58 bei der Betriebsart b) wie in der DE 25 40 412 C3 ausgewertet wer­ den. Die Referenzmarken 44, 45, 46, 47 der Teilung 4 können unabhängig von den Referenzmarken 55, 56, 57, 58 der Teilung 5 angeordnet und aus­ gewertet werden.

Die Erfindung kann auch bei Winkelmeßeinrichtungen erfolgreich eingesetzt werden. Sie ist darüber hinaus nicht auf das lichtelektrische Abtastprinzip beschränkt.

Claims (6)

1. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit wenigstens einer Inkremen­ talteilung (3), der mindestens zwei weitere Teilungen (4, 5) in Form von beabstandeten Referenzmarken (41 bis 47, 51 bis 58) zum Bestimmen von absoluten Positionen zugeordnet sind, von denen wenigstens eine Teilung (5) Referenzmarken (51 bis 58) mit zueinander gleichen Ab­ ständen (B) aufweist, und eine Abtasteinheit (2) die Inkrementalteilung (3) zur Bildung von Zählsignalen und die Referenzmarken (41 bis 47, 51 bis 58) zur Bildung von Referenzmarkenimpulsen abtastet, wobei aus den Referenzmarken (41 bis 47, 51 bis 58) beider Spuren (4, 5) Refe­ renzmarkenimpulse erzeugt werden, von denen jeder auf ein inkremen­ telles Zählsignal der Inkrementalteilung (3) zentriert ist, und daß wei­ terhin die Zählsignale sowie die Referenzmarkenimpulse einem Positi­ onsanzeigegerät und/oder einem Steuergerät zugeführt werden, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Schaltmittel (10) vorgesehen ist, mit dem wahlweise folgende Betriebsarten auswählbar sind:

• a) Abtasten der Inkrementalteilung (3) und gleichzeitig mindestens ei­ ner der Referenzmarkenteilungen (4, 5), wobei für die Absolutposi­ tion charakteristische Abstände (A, B) zwischen Referenzmarken (41 bis 47, 51 bis 58) aus den Zählsignalen ermittelt werden oder
• b) Abtasten der Inkrementalteilung (3) und gleichzeitig der Teilung (5) mit den in aufeinanderfolgend gleichen Abständen (B) angeordne­ ten Referenzmarken (51 bis 58), denen wenigstens ein Auswahlmit­ tel (11) zugeordnet ist, auf dessen Veranlassung wenigstens eine die Absolutposition bestimmende Referenzmarke (52, 58) ausge­ wählt wird und somit zur Wirkung gebracht wird.

2. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schaltmittel (10) zum Wählen der Betriebsart am Positionsanzeigegerät oder am Steuergerät vorgesehen ist.

3. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei Teilungen (4, 5) mit Referenzmar­ ken (41 bis 43, 51 bis 54) mit jeweils gleichem Abstand vorgesehen sind, wobei sich die Abstände (A) der Referenzmarken (41 bis 43) der einen Teilung (4) um zumindest eine Teilungseinheit der Inkrementaltei­ lung (3) von den Abständen (B) der Referenzmarken (51 bis 54) der weiteren Teilung (5) unterscheiden und die die Absolutposition bestim­ menden Abstände jeweils zwischen den Referenzmarken (41 bis 43, 51 bis 54) einer Teilung (4) sowie der weiteren Teilung (5) durch Zählsi­ gnale der Inkrementalteilung (3) bestimmt werden.

4. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den Referenzmarken mehrerer Teilungen Aus­ wahlmittel zuordenbar sind.

5. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine Teilung (5) Referenzmarken (55 bis 58) mit zueinander gleichen Abständen (B) besitzt, während wenigstens die andere Teilung (4) Referenzmarken (44 bis 47) aufweist, deren Ab­ stand (A1, A2, A3) zueinander unterschiedlich ist, wobei die wenigstens zwei Teilungen (4, 5) von Referenzmarken (44 bis 47, 55 bis 58) zur Bestimmung von Absolutpositionen wirkungsmäßig verknüpft sind, in­ dem die die Absolutposition bestimmenden Abstände zwischen Refe­ renzmarken (44 bis 47, 55 bis 58) mehrerer Teilungen (4, 5) durch Zählsignale der Inkrementalteilung (3) ermittelt werden.

6. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine Teilung (5) Referenzmarken (55 bis 58) aufweist, die über die gesamte Meßlänge in zueinander gleichen Abständen (B) angeordnet sind, während wenigstens die andere Tei­ lung (4) Referenzmarken (44 bis 47) aufweist, deren Abstände (A1, A2, A3) zueinander unterschiedlich sind, wobei diese andere Teilung (4) zur Bestimmung von Absolutpositionen dient, indem die die Absolutpositio­ nen bestimmenden Abstände (A) der Referenzmarken (44 bis 47) die­ ser Teilung (4) durch Zählsignale der Inkrementalteilung (3) ermittelt werden.