DE4328525A1

DE4328525A1 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4328525A1
Application number: DE19934328525
Authority: DE
Inventors: Manfred Duerschmid
Original assignee: MIKROELEKTRONIK und TECHNOLOGI
Current assignee: MIKROELEKTRONIK und TECHNOLOGI
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1995-04-06

Description

Die Erfindung betrifft eine Längen- oder Winkelmeßeinrichtung, bei der durch fotoelektrische Abtastung einer ortsperiodischen Strahlungsinten sität ortsperiodische elektrische Abtastsignale erzeugt werden.

Diese Längen- oder Winkelmeßeinrichtungen bestehen im wesentlichen aus einer optischen Strahlungsquelle, einer gitterförmigen Maßverkörperung und einer Anordnung von mehreren (mindestens vier) ortsphasenver schobenen Abtastfeldern, hinter denen jeweils Fotoelemente zur Erzeu gung elektrischer Abtastgittersignale angeordnet sind. Sowohl bei der Montage als auch im praktischen Betrieb dieser Längen- oder Winkelmeß einrichtungen können - im Falle einer Längenmeßeinrichtung - durch Verdrehungen, Verkippungen oder Abstandsänderungen Abweichungen von der relativen Sollposition der Anordnung der ortsphasenverschobe nen Abtastfelder und der Strahlungsquelle zur Maßverkörperung auf treten, die zu Meßabweichungen führen können.

Aus der DD 1 60 862 ist eine Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen und Verdrehungen bekannt, bei der durch eine zur geometrischen Mitte symmetrischen Anordnung der verdoppelten Anzahl der Abtastfelder eine weitgehende Eliminierung von auftretenden systematischen Abweichungen erzielt werden soll.

Mit dem gleichen Ziel ist aus der DD 2 06 424 weiterhin eine Einrichtung zur Messung von Verschiebungen und Verdrehungen eines Körpers bekannt, bei der durch Hinzufügen weiterer Abtastfelder die zu einer Ortsphase gehörenden Abtastfelder in mehreren Gruppen zusammengefaßt werden, die jeweils symmetrisch zur Mittellinie aller Abtastfelder an geordnet sind und möglichst ähnliche geometrische Entfernungen von dieser Mittellinie aufweisen.

Schließlich ist aus der DE 39 42 178 A1 eine Längen- oder Winkelmeßein richtung bekannt, bei der wenigstens acht Abtastfelder in wenigstens zwei Gruppen derart zusammengefaßt und angeordnet sind, daß in jeder Gruppe Abtastgitter aller Ortsphasen vorhanden sind und daß die Grup pen einen gleichen Flächenschwerpunkt und ein gleiches Flächenträg heitsmoment besitzen.

Oft wird bei Längen- oder Winkelmeßeinrichtungen die Teilungsperiode in Größenordnungen gewählt, bei denen die Beugung nicht vernachlässigt werden kann, und die Signalamplitude somit vom Abstand zur Maßver körperung abhängig ist. Es treten vorrangig durch Verdrehung der Abtastgitteranordnung und Defokussierung der Lichtquelle Phasenfehler in den Abtastgittersignalen auf. Durch die Zusammenschaltung mehrerer Abtastgittersignale mit unterschiedlichen Phasenfehlern entstehen Am plitudenunterschiede. Weiterhin entstehen Amplitudenunterschiede bei Verkippungen Abtastgitteranordnung (Ebene der Abtastgitteranordnung nicht parallel zur Ebene der Maßverkörperung) infolge des Einflusses der Beugung. Die bekannten Abtastgitteranordnungen gemäß dem Stand der Technik gewährleisten eine bestmögliche Eliminierung von Phasen fehlern und Amplitudenunterschieden nur beim alleinigen Auftreten ent weder von Verkippungen oder Verdrehungen der Abtastgitteranordnung.

Somit ist der Nachteil aller bekannten Längen- oder Winkelmeßeinrichtun gen, daß vor allem beim gleichzeitigen Auftreten aller möglichen Lageab weichungen weder eine ausreichende Eliminierung von Phasenfehlern noch ein ausreichender Ausgleich von Signalamplitudenunterschieden gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei Verwendung von möglichst wenigen Abtastfeldern mit geringem Aufwand eine Anordnung zu schaffen, die sowohl gegen das alleinige Auftreten einzelner Lageab weichungen als auch gegen das gleichzeitige Auftreten mehrere oder aller möglichen Lageabweichungen (im Falle einer Längenmeßeinrichtung: Verdrehungen, Verkippungen und Abstandsänderungen) in weiten Gren zen unempfindlich ist, das heißt Phasenfehler weftgehend zu eliminieren und Amplitudenunterschiede weitgehend auszugleichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1 und des Unteranspruches 2.

Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen Anordnungen von Abtastfeldern gemäß der Erfindung.

Im Gegensatz zur DE 39 42 178 A1 werden die Abtastfelder erfindungs gemäß derart in Gruppen zusammengefaßt, daß in jeder Gruppe nur Abtastfelder vorhanden sind, von denen Abtastsignale gleicher oder ent gegengesetzter Soll-Ortsphase gewonnen werden.

Die Erfindung wird bei Längenmeßeinrichtungen besonders vorteilhaft eingesetzt.

In Fig. 1 ist eine Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der die dreifache Anzahl der Abtastfelder A1 bis D3 vorgesehen ist. Die Abtastfelder sind in abwechselnder Reihenfolge kreisförmig angeordnet und bilden zwei Gruppen mit je sechs Abtastfeldern A1, C1, A2, C2, A3, C3 und B1, D1, B2, D2, B3, D3, die ineinander verschachtelt sind. Die Abtastfelder A1 bis D3 sind mit ihren Flächenschwerpunkten so auf einem imaginären Kreis angeordnet, daß bei Addition der gleichphasigen Ab tastgittersignale A1, A2, A3 und B1, B2, B3 und Subtraktion der gegen phasigen Abtastgittersignale C1, C2, C3 und D1, D2, D3 zwei Meßsignale gebildet werden, die sowohl gegen das alleinige Auftreten einzelner Lageabweichungen (entweder Verdrehungen oder Verkippungen um beliebige Achsen durch den gemeinsamen Flächenschwerpunkt) als auch gegen das gleichzeitige Auftreten mehrerer oder aller möglichen Lageab weichungen (Verdrehungen und Verkippungen um beliebige Achsen durch den gemeinsamen Flächenschwerpunkt und Abstandsänderungen) in weiten Grenzen unempfindlich ist, das heißt Phasenfehler weitgehend eliminiert und Amplitudenunterschiede weitgehend ausgeglichen werden. Dabei können die Abtastfelder jede beliebige geometrische Form besitzen, zum Beispiel wie in Fig. 1 eine rechteckige Form, oder wie in Fig. 2 dargestellt zur besseren Flächenausnutzung eine annähernde Kreissek torform besitzen.

In Fig. 3 ist eine Abtastfeldanordnung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der die fünffache Anzahl der Abtastfelder A1 bis D5 vorgesehen ist. Die Abtastfelder sind in abwechselnder Reihenfolge kreisförmig angeord net und bilden vier Gruppen mit je fünf Abtastfeldern A1, A2, A3, A4, A5 und B1, B2, B3, B4, B5 und C1, C2, C3, C4, C5 und D1, D2, D3, D4, D5, die ineinander verschachtelt sind. Die Abtastfelder A1 bis D5 sind mit ihren Flächenschwerpunkten so auf einem imaginären Kreis angeordnet, daß bei Addition der jeweils gleichphasigen Abtastgittersignale Ai, Bi, Ci und Di vier Meßsignale gebildet werden, die sowohl gegen das alleinige Auf treten einzelner Lageabweichungen (entweder Verdrehungen oder Ver kippungen um beliebige Achsen durch den gemeinsamen Flächen schwerpunkt) als auch gegen das gleichzeitige Auftreten mehrerer oder aller möglichen Lageabweichungen (Verdrehungen und Verkippungen um beliebige Achsen durch den gemeinsamen Flächenschwerpunkt und Ab standsänderungen) in weiten Grenzen unempfindlich ist, das heißt Pha senfehler weitgehend eliminiert und Amplitudenunterschiede weitgehend ausgeglichen werden.

Claims

1. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit einer Meßteilung und wenig stens einer Abtasteinrichtung zum Abtasten der Meßteilung, bei der die Abtasteinrichtung mehrere in Gruppen zusammengefaßte Abtastfelder aufweist, die in einer elektrischen Schaltung so zusammengeschaltet sind, daß von den Abtastfeldern gewonnene Abtastsignale in wenigstens zwei resultierende periodische, zueinander ortsphasenverschobene analoge Meßsignale umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab tastfelder, von denen Abtastsignale gleicher oder entgegengesetzter Soll- Ortsphase gewonnen werden, jeweils eine Gruppe mit wenigstens vier (mehrere) Abtastfelder (Ai, Ci bzw. Bi, Di) bilden, und daß die statischen Flächenmomente aller Abtastfelder (Ai, Ci) der einen Gruppe gleich den statischen Flächenmomenten aller Abtastfelder (Bi, Di) der anderen Gruppe sind wobei alle Abtastfelder (Ai, Ci) der einen Gruppe um eine beliebige Achse durch den gemeinsamen Flächenschwerpunkt die gleichen äquatorialen und zentrifugalen Flächenträgheitsmomente bilden, wie alle Abtastfelder (Bi, Di) der anderen Gruppe.

2. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Flächenmomente 3. Grades aller Abtastfelder (Ai, Ci) der einen Gruppe gleich den Flächenmomenten 3. Grades aller Abtastfelder (Bi, Di) der anderen Gruppe sind wobei alle Abtastfelder (Ai, Ci) der einen Gruppe um eine beliebige Achse durch den gemeinsamen Flächenschwerpunkt die gleichen Flächenmomente 4. Grades bilden, wie alle Abtastfelder (Bi, Di) der anderen Gruppe.

3. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Flächenmomente 5. Grades aller Abtastfelder (Ai, Ci) der einen Gruppe gleich den Flächenmomenten 5. Grades aller Abtastfelder (Bi, Di) der anderen Gruppe sind wobei alle Abtastfelder (Ai, Ci) der einen Gruppe um eine beliebige Achse durch den gemeinsamen Flächenschwerpunkt die gleichen Flächenmomente 6. Grades bilden, wie alle Abtastfelder (Bi, Di) der anderen Gruppe.

4. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenschwerpunkte der Abtastfel der konzentrisch auf wenigstens einem (mehreren) Kreis(en) um das Zentrum der Abtastung angeordnet sind, wobei imaginäre Verbindungs linien zwischen den Flächenschwerpunkten der Abtastfelder den (die) Kreis(e) in gleiche Sektoren aufteilen.

5. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abtastfelder in ihrer geometrischen Form annä hernd als Kreissektoren oder Kreissegmente ausgeführt sind.

6. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenschwerpunkte der Abtastfel der konzentrisch auf wenigstens einer (mehreren) Ellipse(n) um das Zentrum der Abtastung angeordnet sind, wobei imaginäre Verbindungs linien zwischen den Flächenschwerpunkten der Abtastfelder die Ellipse(n) in Sektoren gleichen Flächeninhaltes aufteilen.

7. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abtastfelder in ihrer geometrischen Form annä hernd als Ellipsensektoren oder Ellipsensegmente ausgeführt sind.

8. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Abtastfeldern nur von Abtastfelder gebildet werden, von denen jeweils nur resultierende Ab tastsignale gleicher Soll-Ortsphase gewonnen werden.