DE4341767C1

DE4341767C1 - Photoelectric absolute position measuring device

Info

Publication number: DE4341767C1
Application number: DE19934341767
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl Ing Ernst
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2013-12-09

Abstract

A photoelectric absolute position measuring device has a plurality of light sources (4, 5) for the purpose of scanning a coded track (2.1). The two light sources (4, 5) are activated alternately as a function of a scanning signal of a periodic scale (graduation, division, spacing), with the result that the edges (K1, K2) of the code elements of the coded track (2.1) are not projected on the receiver (7) (Figure 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische ab solute Positionsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a photoelectric solute position measuring device according to the preamble of claim 1.

Positionsmeßeinrichtungen sind für die Messung geo metrischer Größen, wie Länge und Winkel oder hier aus abgeleiteter Größen, wie Geschwindigkeit be stimmt. Sie werden beispielsweise an Werkzeugma schinen, Steuerungen, Prüf- und Meßgeräten, auto matischen Fertigungsanlagen und Industrierobotern eingesetzt.Position measuring devices are geo for the measurement metric sizes, such as length and angle or here derived from quantities such as speed Right. For example, machines, controls, testing and measuring devices, auto matical manufacturing plants and industrial robots used.

Bei absoluten digitalen Positionsmeßeinrichtungen erfolgt die Kennzeichnung der einzelnen Positionen in Form einer Codierung. Die bekannteste Art der Codierung ist die Anordnung mehrerer paralleler Raster unterschiedlicher Teilung nebeneinander. Die einfachste Codierung ist die Verdoppelung der Ra sterbreite von Spur zu Spur, die zu dem bekannten Dualcode führt. Um jeder Position einen eindeutigen Codewert zuzuordnen und somit Abtastfehler beim Übergang an den Rasterkanten zu vermeiden, sind verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen worden.With absolute digital position measuring devices the individual items are identified in the form of a coding. The best known type of Coding is the arrangement of several parallel ones Grid of different division next to each other. The the simplest coding is to double the Ra width from track to track that to the known Dual code leads. A clear one for each position Assign code value and thus sampling errors when Avoid transition at the grid edges various options have been proposed.

Aus der US-PS 28 66 184, von der diese Erfindung ausgeht, ist eine Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der allen Spuren, außer der feinsten Spur, zwei in Meßrichtung versetzt angeordnete Abtastelemente zugeordnet sind. Ausgehend von dem Abtastsignal der feinsten Spur wird entschieden, welches der beiden Abtastsignale der nachfolgenden Spur ausgewertet wird. Dieses Signal ist wiederum Kriterium für die Entscheidung in der dritten Spur usw. Diese Ab tastung wird auch als Doppelabtastung oder V-Ab tastung bezeichnet. Eine spezielle Form der Doppel abtastung ist die sogenannte U-Abtastung.From US-PS 28 66 184, of which this invention a position measuring device is known, in the case of all tracks, except the finest track, two scanning elements arranged offset in the measuring direction assigned. Based on the scanning signal finest track it is decided which of the two Scanning signals of the following track evaluated becomes. This signal is again a criterion for the Decision in the third lane, etc. This Ab scanning is also called double scanning or V-Ab called groping. A special form of double Sampling is the so-called U-scan.

Eine weitere Art der Codierung bei absoluten Posi tionsmeßeinrichtungen besteht darin, eine Folge von Codeelementen hintereinander in einer Spur anzuord nen und von mehreren, in Meßrichtung beabstandeten Abtastelementen abzutasten. Dieser Code wird auch als Kettencode oder Pseudo-Random-Code bezeichnet. Auch hier besteht das Problem, daß an den Raster grenzen der Codeelemente eine fehlerhafte und nicht eindeutige Ablesung möglich ist. Zur Lösung dieses Problems wird gemäß der DE 39 09 767 A1 und der DE 42 09 629 A1 vorgeschlagen, daß die Anzahl der Abtastelemente größer ist als die Anzahl der abzu tastenden Codeelemente, und daß abhängig von einer Taktspur nur die Ausgangssignale der Abtastelemente ausgewertet werden, die eindeutig innerhalb eines Codeelementes stehen. Another type of coding with absolute posi tion measuring devices consists of a sequence of Arrange code elements one after the other in one track NEN and from several, spaced in the measuring direction Scanning elements. This code will too referred to as chain code or pseudo-random code. Again, there is a problem with the grid limit the code elements a faulty and not clear reading is possible. To solve this Problem is according to DE 39 09 767 A1 and DE 42 09 629 A1 proposed that the number of Scanning elements is greater than the number of ab groping code elements, and that depending on a Clock track only the output signals of the scanning elements be evaluated that are clearly within a Code element.

Diese bekannten Positionsmeßeinrichtungen haben den Nachteil, daß eine Vielzahl von Abtastelementen erforderlich ist, die an eine Auswerteeinheit ange schlossen werden müssen.These known position measuring devices have the Disadvantage that a large number of scanning elements is required, which is attached to an evaluation unit must be closed.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde bereits eine in der DE-OS 20 41 832 beschriebene Einrichtung vorgeschlagen, die mit einem einzigen Abtastelement auskommt. Bei dieser Positionsmeßeinrichtung sind für jede Spur zwei Sender vorgesehen. In Abhängig keit des Abtastsignales wird nacheinander in der Reihenfolge zunehmenden Stellenwertes ein Sender jeder Spur ausgewählt und aktiviert. Bei dieser Einrichtung ist aber nachteilig, daß das die Ab solutposition definierende Codewort erst nach ab wechselnder Aktivierung aller Sender ansteht, was wieder zu Meßungenauigkeiten führt.To avoid this disadvantage, a device described in DE-OS 20 41 832 suggested using a single sensing element gets along. With this position measuring device two transmitters are provided for each track. Depending speed of the scanning signal is successively in the Sequence increasing importance a transmitter selected and activated each track. At this The disadvantage is that the Ab code word defining the absolute position only after alternating activation of all transmitters pending what again leads to measurement inaccuracies.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positionsmeßein richtung zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und mit einfachen Mitteln eindeutig und genau die Absolutposition angibt.The object of the invention is a position measurement direction to create a simple structure exhibits and with simple means clearly and specifies exactly the absolute position.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des An spruches 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of the contractor Proverb 1 solved.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified by the subclaims.

Mit Hilfe der Zeichnungen wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.With the help of the drawings, the invention is based of exemplary embodiments explained in more detail.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine Längenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung im Schnitt, Fig. 1 a length measuring device according to the invention in section;

Fig. 2 den Maßstab der Längenmeßein richtung nach Fig. 1 in Drauf sicht, Fig. 2 shows the scale of the Längenmeßein direction of FIG. 1 in top view,

Fig. 3 das Prinzip der Lichtquellen-Um schaltung, Fig. 3 shows the principle of the light source in order circuit

Fig. 4 eine weitere Längenmeßeinrich tung im Schnitt und Fig. 4 shows another Längenmeßeinrich device in section and

Fig. 5 einen weiteren Maßstab der Län genmeßeinrichtung nach Fig. 4. Fig. 5 shows a further scale the County genmeßeinrichtung in FIG. 4.

In Fig. 1 ist eine lichtelektrische absolute Län genmeßeinrichtung dargestellt, bei der auf einem Träger 1 eine Codierung in Form eines mehrspurigen Codes 2 (Fig. 2) aufgebracht ist. Parallel zu den Codespuren 2.1 bis 2.4 ist eine periodische Teilung 3 angeordnet. Die periodische Teilung 3 wird in bekannter Weise von zumindest einem Abtastelement, bestehend aus einer Lichtquelle und einem Empfänger abgetastet. Dieses Abtastelement ist nicht darge stellt, hierzu wird auf die bereits genannten Schriften verwiesen. Dort ist auch beschrieben, daß zur Richtungserkennung vorteilhaft zwei Abtast elemente zur Abtastung der periodischen Teilung 3 eingesetzt werden.In Fig. 1, a photoelectric absolute Län genmeßeinrichtung is shown in which on a carrier 1, a coding in the form of a multi-track code 2 ( Fig. 2) is applied. A periodic division 3 is arranged parallel to the code tracks 2.1 to 2.4 . The periodic division 3 is scanned in a known manner by at least one scanning element consisting of a light source and a receiver. This scanning element is not Darge, reference is made to the fonts already mentioned. It is also described there that two scanning elements for scanning the periodic division 3 are advantageously used for direction detection.

Erfindungsgemäß sind zur Abtastung der Codespuren 2.1 bis 2.4 zwei in Meßrichtung X beabstandet ange ordnete Lichtquellen 4 und 5 vorgesehen. Zwischen den Lichtquellen 4, 5 und dem Träger 1 ist ein Kol limator 6 angeordnet, der aus dem Licht jeder Lichtquelle 4, 5 ein paralleles Lichtbündel 4.1 und 5.1 bildet. Die zwei Lichtbündel 4.1 und 5.1 sind gegeneinander geneigt, so daß sie in Meß richtung X betrachtet verschiedene Bereiche der Codierung 2 beleuchten. Auf der anderen Seite des Trägers 1 ist für jede Codespur 2.1 bis 2.4 ein einziger lichtempfindlicher Empfänger 7 angeordnet. Von diesen Empfängern 7 ist nur derjenige darge stellt, der die Codespur 2.1 abtastet. Die Empfän ger 7 aller Codespuren 2.1 bis 2.4 sind nebeneinan der in einer Linie senkrecht zur Meßrichtung X an gebracht.According to the invention, two light sources 4 and 5, which are spaced apart in the measuring direction X, are provided for scanning the code tracks 2.1 to 2.4 . Between the light sources 4 , 5 and the carrier 1 a Kol limator 6 is arranged, which forms a parallel light beam 4.1 and 5.1 from the light of each light source 4 , 5 . The two light beams 4.1 and 5.1 are inclined towards each other so that they illuminate different areas of the coding 2 when viewed in the measuring direction X. On the other side of the carrier 1 , a single light-sensitive receiver 7 is arranged for each code track 2.1 to 2.4 . Of these receivers 7 , only the one is Darge who scans the code track 2.1 . The receiver 7 of all code tracks 2.1 to 2.4 are brought alongside one another in a line perpendicular to the measuring direction X.

Die erfindungsgemäße wechselweise Aktivierung der zwei Lichtquellen 4, 5 wird am Beispiel der Abta stung der Codespur 2.1 mit Hilfe der Fig. 2 und 3 erläutert. Die wechselweise Aktivierung der zwei Lichtquellen 4, 5 wird in Abhängigkeit des Abtast signales der periodischen Teilung 3 gesteuert. Ziel ist es dabei, daß bei der Abtastung der Codespuren 2.1 bis 2.4 nur eindeutige Codewörter gebildet wer den, welche die Absolutposition definieren. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Abtastung der Rasterkanten K1, K2 der einzelnen Codeelemente zu vermeiden. Gemäß der Erfindung werden diese Raster kanten sozusagen übersprungen, und zwar durch Ab bildung der Codeelemente auf den Empfänger 7 aus verschiedenen Richtungen. Die Länge eines Code elementes der Codespur 2.1 ist in Fig. 2 mit C bezeichnet. Als Codeelement ist die kleinste unter scheidbare Einheit einer Codespur definiert. Die einzelnen Codeelemente sind durch die Rasterkanten K1, K2 voneinander getrennt. Die zur Steuerung der Lichtquellen 4, 5 dienende periodische Teilung 3 hat eine Teilungsperiode entsprechend der Länge C eines Codeelementes. Die Teilungsperiode weist zwei gleichlange Bereiche A, B auf, der eine Bereich A ist transparent, der andere Bereich B lichtundurch lässig.The alternate activation of the two light sources 4 , 5 according to the invention is explained using the example of the scanning of the code track 2.1 with the aid of FIGS . 2 and 3. The alternate activation of the two light sources 4 , 5 is controlled depending on the scanning signal of the periodic division 3 . The aim is that when scanning the code tracks 2.1 to 2.4 only unique code words are formed who define the absolute position. For this reason, it is advantageous to avoid scanning the raster edges K1, K2 of the individual code elements. According to the invention, these raster edges are skipped, so to speak, by forming the code elements on the receiver 7 from different directions. The length of a code element of the code track 2.1 is denoted by C in Fig. 2. The smallest distinguishable unit of a code track is defined as the code element. The individual code elements are separated from one another by the grid edges K1, K2. The periodic division 3 used to control the light sources 4 , 5 has a division period corresponding to the length C of a code element. The division period has two areas A, B of equal length, one area A is transparent and the other area B is opaque.

Befindet sich das Abtastelement der periodischen Teilung 3 innerhalb eines Bereiches B, dann wird die Lichtquelle 4 angesteuert, die daraufhin einen transparenten Bereich der Codespur 2.1 beleuchtet. Diese Position ist in Fig. 2 und Fig. 3 mit P1 bezeichnet. In Fig. 3 ist mit 8 die Mittellinie des Abtast-Lichtbündels der periodischen Teilung 3, mit 9 die Mittellinie des geneigten Abtast-Licht bündels 4.1 der Codespur 2.1 bei leuchtender Licht quelle 4 und mit 10 die Mittellinie des geneigten Abtast-Lichtbündels 5.1 der Codespur 2.1 bei leuchtender Lichtquelle 5 bezeichnet. Die Mittel linie der jeweils nicht leuchtenden Lichtquelle 4, 5 ist gestrichelt eingezeichnet.If the scanning element of the periodic graduation 3 is within an area B, then the light source 4 is activated, which then illuminates a transparent area of the code track 2.1 . This position is indicated in Fig. 2 and Fig. 3 with P1. In Fig. 3 with 8 is the center line of the scanning light beam of the periodic division 3 , with 9 the center line of the inclined scanning light bundle 4.1 of the code track 2.1 with illuminating light source 4 and with 10 the center line of the inclined scanning light bundle 5.1 of the code track 2.1 referred to when the light source 5 is shining. The center line of the non-illuminating light source 4 , 5 is shown in dashed lines.

Bei einer Messung wird der Träger 1 relativ zu der Abtasteinheit in Meßrichtung X verschoben. Die Ab tasteinheit enthält die Elemente 4, 5, 6, 7 sowie die Abtastelemente der periodischen Teilung 3.During a measurement, the carrier 1 is displaced in the measuring direction X relative to the scanning unit. The scanning unit contains the elements 4 , 5 , 6 , 7 and the scanning elements of the periodic division 3 .

Gelangt die Mittellinie 8 in den Bereich A der in krementalen Teilung 3, erfolgt eine Aktivierung der Lichtquelle 5 und ein Abschalten der Lichtquelle 4. Diese Position ist mit P2 bezeichnet. Die Umschal tung erfolgt an der Kante K1 zwischen den Bereichen A und B. Es ist ersichtlich, daß die Kante K1 zwischen zwei Codeelementen der Codespur 2.1 nicht auf den Empfänger 7 abgebildet wird. Bei den Posi tionen P3 und P4 bleibt die Lichtquelle 5 aktiv, wobei bei der Position P5 wiederum die Lichtquelle 4 aktiviert wird, damit bei Überschreiten der nach folgenden Kante K2 (Position 6) diese nicht auf den Empfänger 7 abgebildet wird. Erreicht die Mittel linie 8 den Bereich A, erfolgt wiederum eine Um schaltung der Lichtquellen 4, 5, so daß in der Po sition P7 nur die Lichtquelle 5 leuchtet.If the center line 8 reaches the area A in the incremental division 3 , the light source 5 is activated and the light source 4 is switched off . This position is labeled P2. The switching takes place on the edge K1 between the areas A and B. It can be seen that the edge K1 between two code elements of the code track 2.1 is not mapped to the receiver 7 . In the positions P3 and P4, the light source 5 remains active, with the light source 4 being activated again in the position P5, so that when the edge K2 following (position 6 ) is exceeded, it is not imaged on the receiver 7 . Reaches the center line 8 of the area A, in turn there is a switching of the light sources 4 , 5 , so that in the position P7 only the light source 5 lights up.

Die beschriebene Positionsmeßeinrichtung benutzt zur Beleuchtung aller Codespuren 2.1 bis 2.4 je weils nur eine einzige Lichtquelle 4 oder 5. In nicht gezeigter Weise ist es aber auch möglich, daß für jede Codespur zwei wechselweise einschaltbare Lichtquellen verwendet werden.The position measuring device described uses only a single light source 4 or 5 to illuminate all code tracks 2.1 to 2.4 . However, in a manner not shown, it is also possible for two alternately switchable light sources to be used for each code track.

Die Erfindung ist auch zur Abtastung eines ein spurigen Codes anwendbar. Ein derartiger Code wird als Kettencode oder Pseudo-Random-Code bezeichnet und ist in der bereits genannten DE - 39 09 767 A1 sowie der DE - 42 09 629 A1 beschrieben.The invention is also for scanning a lane codes applicable. Such a code will referred to as chain code or pseudo-random code and is in the already mentioned DE - 39 09 767 A1 and DE - 42 09 629 A1.

Wie in den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, wird ein derartiger Kettencode 20 von mehreren, in Meß richtung X voneinander beabstandeten Empfängern 71 bis 74 abgetastet. Wie bereits bei den Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde, ist parallel zur Codierung 2 bzw. 20 eine periodische Teilung 3 angeordnet, deren Abtastsignal bestimmt, welche der Lichtquel len 4 und 5 aktiviert wird. Gleiche Elemente sind in den Fig. 4 und 5 mit den gleichen Bezugs zeichen versehen, wie in den Fig. 1 bis 3.As can be seen in FIGS. 4 and 5, such a chain code 20 is scanned by a plurality of receivers 71 to 74 which are spaced apart in the measuring direction X. As has already been described in FIGS. 1 to 3, a periodic division 3 is arranged parallel to the coding 2 or 20 , the scanning signal of which determines which of the light sources 4 and 5 is activated. The same elements are provided with the same reference characters in FIGS. 4 and 5 as in FIGS. 1 to 3.

Anstelle der beschriebenen Durchlicht-Längenmeßein richtung kann die Erfindung auch bei Auflicht-Län genmeßeinrichtungen und Winkelmeßeinrichtungen ein gesetzt werden. Instead of the transmitted light length measurement described direction, the invention can also with incident light genmeßeinrichtung and angle measuring devices be set.

Weiterhin ist es auch möglich, daß jeder Licht quelle ein eigener Kollimator zugeordnet ist, und daß die Lichtquelle selbst in Meßrichtung X geneigt angeordnet ist.Furthermore, it is also possible for any light source is assigned its own collimator, and that the light source itself inclined in the measuring direction X. is arranged.

In den gezeigten Beispielen wird das Steuersignal zur Umschaltung der Lichtquellen 4, 5 aus einer separaten periodischen Teilung 3 gewonnen. In nicht gezeigter Weise kann diese Teilung 3 auch Bestand teil der Codierung 2, 20 sein und/oder auch zusätz lich zur Bildung hochauflösender Positionsmeßwerte dienen, wie bei sogenannten inkrementalen Posi tionsmeßsystemen bekannt ist.In the examples shown, the control signal for switching the light sources 4 , 5 is obtained from a separate periodic division 3 . In a manner not shown, this division 3 can also be part of the coding 2 , 20 and / or also serve to form high-resolution position measurement values, as is known in so-called incremental position measurement systems.

Claims

1. Photoelectric absolute position measuring device with a single-track or multi-track coding, in which, based on a control signal, the scanning unit of the coding is controlled such that edges of code elements of the coding are not scanned, characterized in that at least one for illuminating the coding ( 2 , 20 ) Track ( 2.1 to 2.4 ) two light sources ( 4 , 5 ) are provided, which are alternately acti fourth depending on the control signal, and that depending on the active light source ( 4 , 5 ) each one of two in the measuring direction (X) spaced areas the coding ( 2 , 20 ), which are determined by the illumination of the alternately active light sources ( 4 , 5 ), are mapped onto a receiver ( 7 ; 71 to 74 ).

2. Photoelectric absolute Positionsmeßeinrich device according to claim 1, characterized in that the coding ( 2 ) is multi-lane, and that each track ( 2.1 to 2.4 ) is assigned at least one receiver ( 7 ).

3. Photoelectric absolute Positionsmeßeinrich device according to claim 2, characterized in that for illuminating several tracks ( 2.1 to 2.4 ) two in the measuring direction (X) from each other spaced light sources ( 4 , 5 ) are provided, which alternately a light beam ( 4.1 , 5.1 ) send on the coding ( 2 ) and that the light beams ( 4.1 , 5.1 ) striking the coding ( 2 ) are inclined towards each other.

4. Photoelectric absolute Positionsmeßeinrich device according to claim 1, characterized in that the coding is in the form of a single-track chain code ( 20 ), wherein from scanning this chain code ( 20 ) several in the measuring direction (X) consecutively arranged receiver ( 71 to 74 ) are provided.

5. Photoelectric absolute Positionsmeßeinrich device according to claim 4, characterized in that for illuminating the chain code ( 20 ) two in the measuring direction (X) spaced light sources ( 4 , 5 ) are provided, which alternately a light beam ( 4.1 , 5.1 ) on the Send coding ( 20 ) and that the light beams ( 4.1 , 5.1 ) striking the coding ( 20 ) are inclined towards one another.

6. Photoelectric absolute Positionsmeßeinrich device according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the control signal is generated by scanning a periodic division ( 3 ).