DE68908635T2

DE68908635T2 - Positionsmessvorrichtung.

Info

Publication number: DE68908635T2
Application number: DE89305474T
Authority: DE
Inventors: William L Hassler
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: EP0350158B1; JPH0247514A; KR900002151A; DE68908635D1; EP0350158A2; EP0350158A3; ATE93620T1; KR0137143B1; CA1338291C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Positionsgebergeräte, wie beispielsweise Geräte, welche die relative Position zweier Elemente anzeigen, von denen eines in bezug auf das andere bewegbar ist.
In zahlreichen Gebieten von Industrie und Fertigung ist es wichtig, ein Element oder Gerät präzise in bezug auf ein anderes zu positionieren. So ist es beispielsweise für die Bearbeitung auf einer Drehmaschine mit einem beweglichen Tisch wichtig, daß der den Meißeleinsatz tragende Tisch in bezug auf ein Spannfutter und Werkstück aufnehmendes Maschinenbett genau positioniert werden kann. Um die Durchführung dieser Positionierung zu ermöglichen, kann ein Positionsgeber verwendet werden. Abgesehen von einer genauen relativen Positionierung ist es oft auch notwendig, den Tisch mit dem Meißeleinsatz hin- und herzubewegen oder zwischen sehr genauen relativen Positionen in bezug auf das Maschinenbett zu verschieben.
Es könnte beispielsweise gewünscht sein, eine erste Bearbeitung des Werkstücks vorzunehmen, in der sich der Drehmeißel in einer ersten relativen Position befindet, und dann den Drehmeißel automatisch (durch Verschieben des Tisches auf dem Maschinenbett) in eine zweite Position zu verfahren und eine zweite Bearbeitung des Werkstücks aus zuführen. Es kann häufig wünschenswert sein, das in der ersten und zweiten Position resultierende Werkstück unter Einhaltung einer hohen Genauigkeit zu bearbeiten. Ein mit dem Tischantrieb gekoppelter Positionsgeber kann zur automatischen Durchführung solcher mehrfachen Anschlagstellungen verwendet werden. Des weiteren ist es oft wünschenswert, die Positionen zu ändern, in denen solche Anschläge oder Bearbeitungen erfolgen, und hierzu ist die genaue Festlegung neuer Positionen erforderlich. Ein elektronischer Positionsgeber kann das elektronische Rücksetzen der Maschine auf neue Anschläge ermöglichen.
Selbstverständlich ist es wünschenswert, einfachere und billigere Verfahren und Geräte bereitzustellen, die diese Meßwertgeberfunktionen schneller und genauer ausführen. Dies gilt vor allem auf Gebieten wie der Herstellung integrierter Schaltungen, wo eine extrem genaue Positionierung verlangt wird.
Zu den Geräten, mit denen derzeit eine relative Positionserfassung durchgeführt werden kann, zählen Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Mikroskope, Teleskope, Industrieroboter, Zylinder, Flugregler, Säulenbohrmaschinen und Fertigungsautomaten.
Zu den derzeit für eine relative Positionserfassung zur Verfügung stehenden Geräten gehören elektronische Sensoren für die relative Positionserfassung, auf denen Skalen und Einrichtungen zur elektronischen Ablesung dieser Skalen vorgesehen sind. Die Skala kann auf dem den Drehmeißel tragenden beweglichen Tisch oder dergl. befestigt sein, und der elektrische Leser der Skala kann mit dem Drehmaschinenbett der dergl. verbunden sein oder umgekehrt. Wenn sich das Gerät bewegt, erfaßt oder bestimmt der elektrische Leser die relative Position zwischen der Skala und dem Leser und damit die relative Position zwischen dem Drehmeißeltisch und dem Drehmäschinenbett und den darauf befestigten Geräten.
Im allgemeinen fallen elektronische Positionsgebergeräte für die relative Positionserfassung in zwei Hauptkategorien. Die erste Kategorie wird am treffendsten als ein seriell arbeitendes Gerät oder Zähler bezeichnet. Diese Geräte sind nur in der Lage, den Abstand zwischen zwei Anschlägen zu bestimmen, indem sie den Abstand zwischen den beiden Anschlägen zählen oder auf andere Weise elektrisch messen. Da der Zähler keine Möglichkeit hat zu bestimmen, an welcher Stelle der Skala er sich befindet, weil er nur mittels Zählen messen kann, mißt dieses Gerät nur relative Positionen. Die zweite Geräteart wird am treffendsten als ein Positionsgeber für absolute Positionen bezeichnet. Diese Geräte können bestimmen, wo sie sich auf der Skala befinden - d.h. eine Absolutposition bestimmen -, was auch die Bestimmung relativer Positionen zuläßt. Anders ausgedrückt, eine Position auf der Skala, z.B. 76,2 mm (3 Zoll) ab dem Nullpunkt der Skala ist unmittelbar anhand von auf der Skala an dieser Position vorgesehenen Absolutpositionsmarken ablesbar.
In der Vergangenheit waren seriell arbeitende Geräte oder Zähler aufgrund ihrer höheren Genauigkeit und niedrigeren Kosten am erfolgreichsten. Zu diesen Geräten zählen Rotationszähler, die mit einem Rad, Zahnrad oder einer Spindel ausgeführt sind, welche sich aufgrund der Bewegung dreht, sowie mit einem elektronischen Zähler, der die Umdrehungen oder Teile der Umdrehungen des Rades oder der Spindel zählt. In ähnlicher Weise arbeiten Geräte mit magnetischen Marken oder Spalten oder anderen Marken auf einer Meßleiste, die ein elektronisches Hilfsmittel zum Zählen des Durchgangs jeder dieser Marken darstellen. Bei diesen beiden Geräten bestimmt die Lagegenauigkeit der maschinengelesenen Marken auf der Skala die Genauigkeit des Geräts. Die größte mit diesen Geräte erzielbare Genauigkeit beträgt daher ungefähr 0,0005 mm (20 Mikrozoll, 0.00002 Zoll).
Ein gutes Beispiel für die genauesten der seriellen oder inkrementellen Positionsgebergeräte sind die elektronischen Meßskalen der Marke Heidenhain, die von der Heidenhain Corporation hergestellt werden. Diese Geräte haben Glasskalen mit extrem genau positionierten eingeätzten Markierungen darauf, die durch einen beweglichen Leser elektronisch gezählt werden können. Das präzise Einätzen der Markierungen erfordert ein seismisch gesichertes Labor, in dessen Umgebung keine Züge fahren, um ferne Erderschütterungen zu vermeiden. Vibrationsgedämpfte Tische, Sonderwerkzeugmaschinen und Spezialmeßgeräte sind zum Einätzen der Markierungen erforderlich. Selbstverständlich sind die auf diese Weise hergestellen Skalen mit einer Genauigkeit von 0,0005 mm (20 Mikrozoll) sehr teuer.
Rotationsgeräte zur Positionserfassung, wie beispielsweise lineare Zähler, zählen zur Positionsbestimmung Inkremente bzw. Schritte. Rotationsgeräte zählen jedoch Umdrehungen oder Teile von Umdrehungen eines Positionsrades. Ein Problem bei diesen Geräten ist, daß sie ihre Genauigkeit verlieren, wenn zwischen dem Positionsrad und dem die Rotation verursachenden Gerät ein Schlupf besteht und die Zahräder nicht vollkommen ruhig und stoßfrei rotieren. Sowohl der Linear- als auch der Rotationszähler können bei Abschalten oder sonstiger Unterbrechung der Spannung nicht bestimmen, an welcher Stelle der Skala sich das Gerät befindet, so daß er seinen Platz verliert.
Absolutpositionsgebergeräte vermeiden das Problem, ihren Platz zu verlieren, indem auf ihnen platzbestimmende Markierungen vorgesehen sind. Ein gutes Beispiel für ein solches Gerät ist in der Patentschrift US-A-4,074,258 von Dore et al. beschrieben. Dieses Gerät enthält eine graduierte Skala mit durchsichtigen Marken auf undurchsichtigem Hintergrund oder mit undurchsichten Marken auf durchsichtigem Hintergrund, wobei die Marken von einem photoelektrischen Leser interpretiert werden können. Ein erster Satz identischer Marken ist abstandsgleich entlang der Skala, z.B. in Abständen von 25,4 mm (1 Zoll) verteilt. Diese Marken sind präzise angeordnet, da die Lage jeder Marke als eine Referenz für Interpolationszwecke dient. In dieser Hinsicht verhält sich die Skala wie ein serielles Positioniergerät.
Neben den genau positionierten und abstandsgleich angeordneten Interpolationsmarken befindet sich jedoch eine Gruppe von Kennungsmarken (im allgemeinen eine Zahl in binärer Schreibweise), welche auf elektrischem Wege als die benachbart angeordnete Interpolationsmarke eindeutig kennzeichnend bestimmt werden kann. Die Interpolationsmarken unterscheiden sich von den Kennungsmarken durch die Lichtstärke, die Markenbreite oder auf andere Weise. Auf diese Weise kann die elektrische Interpretation der Kennungsmarken erfolgen, wodurch die jeweilige Lage der Interpolationsmarke feststellbar ist. Danach wird ein Kennzeichen wie die Vorderkante der Interpolationsmarke zur Herstellung eines relativen Abstandes entlang des Lesers verwendet.
Eine Ausführungsform des Dore-Patents beschreibt die Unterscheidung zwischen Interpolations- und Kennungsmarken anhand der Breite der Marken durch Lesen von Licht mittels eines Ladungsverschiebeelements. Eine Interpolationsmarke ist fünf, eine Kennungsmarke zehn Pixel bzw. Bildpunkte breit. Insbesondere wird ein erstes Pixel einer fünf Pixel breiten Interpolationsmarke, die durch den Binärcode der dazu benachbarten 10 Pixel breiten Kennungsmarken gekennzeichnet ist, aus den Pixeln eines Ladungsverschiebeelement-Lesers als relative Position des CCD-Lesers bezogen auf die Skala ausgelesen.
Natürlich besteht ein Problem bei diesem Gerät darin, daß die Kennungsmarken größere Abstände der Positions- oder Interpolationsmarken verursachen. Dies bedeutet eine verringerte Genauigkeit des Geräts, da geringere Vergrößerung (das Mittel zur feineren Interpretation der Marken) möglich ist.
Andere ähnliche Absolutpositionsgebergeräte verwenden quer zu den Interpolations- oder Positionsmarken angeordnete Kennungsmarken. Diese Marken lassen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Position getrennt lesen, so daß sie ohne Breiten- oder Helligkeitsunterschiede auseinanderzuhalten sind. Bei diesen Geräten benötigt man jedoch für die Kennungsmarken einen oder mehrere separate Leser.
Im allgemeinen fehlt es Absolut- und Relativgeräten an einer ausreichend hohen Genauigkeit. Wie bei den Relativgeräten hängt die Präzision eines Absolutgeräts davon ab, mit welcher Präzision die Interpolations- oder Positionsmarken auf einer Skala angebracht sind. Sehr genaues Lackieren, Schleifen, Schneiden oder Ätzen ist unumgänglich, und die markierungsbedingten Grenzen setzen die Genauigkeitsgrenze des Geräts. Natürlich sind die am genauesten arbeitenden Geräte wegen der erforderlichen extremen Herstellungsverfahren sehr teuer.
Ein weiteres Problem bei den Absolutpositionierungsgeräten besteht darin, daß die Einrichtungen zum Lesen der Kennungsmarken kompliziert sind und langsam sowie ungenau arbeiten. Es ist deshalb eine elektronische Einrichtung zur Unterscheidung zwischen den Interpolations- und den Kennungsmarken bereitzustellen, die Kennungsmarken müssen dann in eine lesbare Form gewandelt werden, und anschließend muß die Binärzahl oder dergl. der richtigen Interpolations- oder Positionsmarke zugeordnet werden.
Die Position der Kennungsmarke ergibt sich anhand nur eines Merkmals der Marke, wie etwa der Vorderkante (z.B. erstes Pixel der fünf Pixel breiten Marke). Diese Vorderkante wird durch das Pixel eines CCD mit einem Ausgangssignal einer vorgegebenen Stärke gekennzeichnet. Schwankungen der Lichtquellenstärke, elektronisches Rauschen, Schmutz auf der Vergrößerungslinse und zahlreiche andere Störfaktoren können die einwandfreie Interpretation des Positionskennzeichens der Kennungsmarke und damit das Lesen bzw. genaue Lesen verhindern.
Ein weiteres all diesen Geräten gemeinsames Problem ist, daß die Präzision des Geräts durch eine Montage gemindert oder zerstört werden kann, durch die die Marken spannungsbeaufschlagt oder relativ zueinander verschoben werden. Des weiteren bewirken Temperaturänderungen eine Verschiebung der Marken relativ zueinander, wodurch sich die Genauigkeit der Skala ebenfalls ändert. Normalerweise ist die Skala jedoch nicht hinreichend genau, um durch Wärmedehnung beeinträchtigt zu werden. Schließlich haben sich auch die Geräte zur Lichtdurchstrahlung von Linsen oder dergl. nicht ausreichend bewährt, um einwandfreies Lesen sicherzustellen.
Die Zusammenfassung der japanischen Patentschrift JP-A-58- 150 804 beschreibt ein Positionsgebergerät, bei dem eine Lichtquelle eine Skalenplatte beleuchtet und ein Bild des Musters davon auf einen Bildsensor, wie beispielsweise ein CCD, projiziert wird, dessen Ausgang von einer Positionsberechnungsschaltung verarbeitet wird.
Die Patentschrift US-A-3 648 276 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Komponente relativ zu einer Referenzposition auf einer anderen Komponente, die sich einer Skaleneinheit mit einer Vielzahl identischer Skalensegmente bedient, die mit einer Grobskala verglichen wird, um einer Leseeinheit eine eindeutige Darstellung jedes der identischen Segmente zu liefern.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein elektronisches Präzisionsgerät für die Absolutpositionierung bereitgestellt, das folgendes umfaßt:
eine Skala, die entlang einer durch einen Satz Positionssegmente definierten Positionslinie angeordnet ist;
wobei auf der Skala entlang der Positionslinie maschinenlesbare Marken so angebracht sind, daß sich mindestens zwei der Marken in jedem der Segmente befinden, und die Anordnung der Marken so gewählt ist, daß die relative Position zwischen den mindestens zwei Marken in jedem der Segmente eindeutig ist, um das betreffende Segment zu definieren, und daß die Kombination der Linienpositionen der mindestens zwei Marken eine präzise Position entlang der Positionslinie innerhalb des betreffenden Segments definiert;
eine Maschinenleseeinrichtung, die in bezug auf die Skala entlang der Positionslinie derart bewegbar ist, daß die Leseeinrichtung die mindestens zwei Marken von mindestens eine Segment zum Lesen abtasten kann, um die mindestens zwei Marken in dem mindestens einen Segment der Skala zu lesen und in elektrische Signale umzuwandeln, so daß die elektrischen Signale die relative Linienposition zwischen den mindestens zwei Marken, die Kombination der Linienpositionen der mindestens zwei Marken und die relative Linienposition der Maschinenleseeinrichtung in bezug auf die Marken angeben;
eine elektronische Speichereinrichtung zur Sicherung und elektronischen Übermittlung einer Segmentanzeige für jedes Segment entsprechend der relativen Linienposition zwischen den mindestens zwei Marken jedes Segments, und eine Anzeige der präzisen Position entlang der Positionslinie entsprechend der Segmentanzeige und der Kombination der Linienpositionen der mindestens zwei Marken dieses Segments; und eine Positionsbestimmungseinrichtung, die die elektronischen Signale von der Leseeinrichtung empfängt, die Signale unter Verwendung der Speichereinrichtung interpretiert und daraus die absolute Position entlang der Positionslinie der Leseeinrichtung in bezug auf die Skala ermittelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Ableitung von Positionsinformationen aus einem Positionsanzeigespalt in einer Skalenleiste vorgesehen, das folgendes umfaßt:
Richten von Licht durch den Spalt auf ein mehrere Pixel breites Ladungsverschiebeelement in der Weise, daß mehr als eines der Pixel beleuchtet ist; wobei die beleuchteten Pixel des Ladungsverschiebeelements elektrische Signale proportional zur Beleuchtungsstärke erzeugen, und wobei mindestens zwei der erzeugten elektrischen Signale zur Bildung einer Positionsinformation, die sich aus mindestens zwei Elementen zusammensetzt, herangezogen werden.
Ein solches relatives Positionsgebergerät und -Verfahren kann genauere Messungen liefern, einfach aufgebaut sein und erfordert trotz extrem genauer Messungen keine extrem genaue Positionierung von Marken auf einer Skala.
Das Positionierverfahren und ein Positioniergerät können einfache und zuverlässige Elektronik verwenden, gestatten absolute und relative Positionierung (die Position auf der Skala geht nicht verloren) und liefern selbst dann Präzisionsmessungen, wenn die Skala beispielsweise durch Stoßbelastung oder Wärmedehnung verformt ist.
Das Verfahren und das Gerät sind in der Lage, Marken auf einer Skala zu lesen, so daß eine genauere Bestimmung und Interpolation erreicht werden können, und stellen eine verbesserte Einrichtung zur Interpretation der Marken auf einer Skala zum rascheren und genaueren Ablesen einer absoluten/relativen Position bereit.
Die Speichereinrichtung gestattet das Setzen der Lage jeder der Marken mittels Kalibrierung entweder vor oder nach der Installation des Geräts. Die Genauigkeit des Geräts wird deshalb von der Genauigkeit der in der Speichereinrichtung eingetragenen Kalibrierung und nicht von der Genauigkeit der Plazierung der Marken auf der Skala bestimmt.
Bei der Positionskalibriermaschine kann es sich um ein Laser-Interferometer handeln. Die Eintragung in den elektronischen Speicher kann eine Verweistabelle kalibrierter Positionen bezogen auf die Skala für jede der Positionsmarken generieren. Ein Lesegerät kann die Marken lesen, und die Verweistabelle kann zur Bestimmung der kalibrierten Position des Maschinenlesers bezüglich der Skala herangezogen werden.
Um eine leicht anhand der Marken zu bestimmende absolute/relative Positionserfassung zu erhalten, kann die Positionslinie durch einen Satz Positionssegmente definiert werden. In jedem der Segmente sind mindestens zwei Marken in der Weise angeordnet, daß die relative Position zwischen den mindestens zwei Marken in jedem Segment das Segment eindeutig definiert. Die Kombination der Linienpositionen der mindestens zwei Marken definiert eine präzise Position entlang der Positionslinie innerhalb eines Segments. Wenn die Marken beispielsweise Spalte in einer Skalenleiste sind, die von einer Lichtquelle und einem Ladungsverschiebeelement gelesen werden, so können in jedem Segment entlang der Skala zwei Spalte angeordnet werden, wobei zwischen den Spalten für jedes Segment ein unverwechselbarer Abstand vorgesehen ist. Damit definiert der Abstand zwischen den Spalten, in welchem Segment entlang der Skala sich diese Spalte befinden. Danach kann für jedes Spaltpaar die Kombination der Position dieser beiden Spalte zur Definition einer präzisen Position innerhalb des Segments mittels einer Kalibrierung herangezogen werden. Auf diese Weise brauchen die Marken nicht voneinander unterscheidbar zu sein, und sowohl für die Definition der Kalibrierposition (wo im Segment) als auch die Definition der Absolutposition (Eindeutigkeit des Segments) können mehr Informationen bereitgestellt werden.
Die durch die Kombination der Spaltpositionen dargestellte Kalibrierposition und die durch die Positionsdifferenz angegebene unverwechselbare Segmentposition können in einem Speicher, z.B. einem Festwertspeicher, abgelegt werden. Dieser Festwertspeicher kann vorzugsweise umprogrammiert werden, um das Absolut/Relativ-Positioniergerät nach einer während der Montage eventuell aufgetretenen Verformung neu zu kalibrieren.
Auf diese Weise wird ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Position bereitgestellt, indem die Positionsmarken in der beschriebenen Weise ausgeformt werden und die Skala so kalibriert wird, daß im elektronischen Speicher eine Verweistabelle der Kombinationsdaten (wo im Segment) und der Differenzdaten (welches Segment) für jedes Segment eingetragen wird. Durch Lesen der beiden Marken eines Segments und Verwendung der Verweistabelle kann eine absolute Position des Lesers bezüglich der Skala bestimmt werden.
Vorzugsweise umfaßt das Lesegerät eine Ladungsverschiebeelement, und die Marken der Skala enthalten Spalte in einer Metalleiste. Des weiteren enthält das Gerät vorzugsweise eine Lichtquelle, die in etwa einem Lambert-Strahler entspricht und einen mindestens so breiten Bereich überbrückt, daß stets Licht durch die mindestens zwei Spalte jedes Segments geschickt wird. Das Ladungsverschiebeelement überbrückt vorzugsweise ebenfalls diese Länge.
Das Verfahren zum Lesen der Marken kann die Verwendung eines Ladungsverschiebeelements beinhalten, um mehr als ein Kennzeichen jeder Marke zu lesen. Anstelle des Lesens nur eines Pixels (z.B. des ersten oder des letzten) kann das Verfahren das Lesen des ersten und des letzten Pixels vorsehen. Es ist sogar noch vorteilhafter, die Intensität aller durch die Marken beeinflußten Pixel zu lesen und die mittlere Position der Intensitätsverteilung der Marken (oder volle Strahleröffnung) als eine maximale informationstragende Anzeige für die Position der Marken heranzuziehen.
Eine Korrektur der Wärmedehnung kann durch einen die Temperatur der Skala erfassenden Temperaturfühler und eine Berechnung zum Ausgleich der Wärmedehnung der Skala auf Basis dieser Temperatur vorgesehen werden.
Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung beispielhaft in schematischer Form dargestellt; es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische abgeschnitte Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Präzisionsgeräts zur Absolutpositionierung;
Fig. 2 eine Schnittansicht des in der Fig. 1 gezeigten Geräts entlang der Linie II-II gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der Elektronik des Geräts gemäß Fig. 1;
Fig. 4 eine vereinfachte Ansicht der Grundelemente des Geräts gemäß Fig. 1;
Fig. 5 ein Diagramm, welches die vom Gerät gemäß Fig. 1 generierten elektrischen Impulse darstellt;
Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des in der Fig. 1 dargestellten Geräts; und
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Abschnitts des in der Fig. 1 dargestellten Geräts.
Wie aus den Zeichnungen und vor allem aus den Fig. 1, 2 und 4 ersichtlich ist, enthält ein Positionsgebergerät 11 ein Skalengehäuse 13 und eine mitlaufende Einheit 15. Das Skalengehäuse 13 hat eine Skalenleiste 17 mit darin vorgesehenen Spalten 19, die mittels eines elektrooptischen Lesers 21 der mitlaufenden Einheit 15 gelesen werden können.
Durch Befestigen des Skalengehäuses 13 an einem ersten Element oder Gerät und der mitlaufenden Einheit 15 an einem zweiten Element oder Gerät kann die relative Position zwischen den beiden Elementen durch das Gerät 11 elektrisch gelesen werden. So kann beispielsweise das Skalengehäuse 13 an einem beweglichen Tisch einer Drehmaschine und die mitlaufende Einheit 15 an einem Bett der Drehmaschine befestigt werden, so daß die relative Position zwischen dem Tisch und dem Bett elektrisch gelesen werden kann. Damit wäre es möglich, das Bett bezüglich eines in einem Futter eingespannten Werkstücks genau zu positionieren, wobei das Futter zur genauen, automatischen Positionierung und Bearbeitung des Werkstücks drehbar auf dem Bett montiert ist.
Zur Befestigung des Skalengehäuses 13 an einem externen Element oder Gerät sind Endkappen 23 und 25 vorgesehen. Die Endkappe 23 besteht aus einem Teil, das mittels Montageschrauben 29 direkt an einem feststehenden oder Referenzende 27 montiert ist. Die Endkappe 25 umfaßt drei Teile (31, 39, 43) und fungiert als eine bewegliche Endhalterung. Ein Kappenteil 31 ist mittels Montageschrauben 35 mit einem beweglichen oder nicht als Referenz dienenden Ende 33 des Gehäuses 13 verbunden. Eine zylindrische vorspringende Nase 37 erstreckt sich vom Kappenteil 31 aus, um eine bewegliche Verbindung mit einem Halterungsteil 39 zu schaffen. Eine Ausnehmung 41 nimmt die zylindrische Nase 37 genau jedoch frei beweglich auf. Zwischen dem Kappenteil 31 und dem Halterungsteil 39 ist ein kompressibles Distanzteil 39 federnd eingespannt, durch das die Nase 37 geführt ist. Das Distanzteil 43 besteht aus einem elastischen, kompressiblen Isoliermaterial. An der Endkappe 23 ist ein Flansch 45 mit durchgehenden Schraubenlöchern vorgesehen, so daß die Endkappe 23 mit einem Element, z.B. einem Werkstücktisch einer Drehmaschine, verschraubt werden kann. Ein Flansch 47 des Halterungsteils 39 ist mit Schraubenlöchern ausgeführt, so daß er mit demselben Element verschraubt werden kann. Auf diese Weise wird das Skalengehäuse 13 mit dem Element oder Gerät so verbunden, daß das Referenzende gegen Verschiebung gesichert ist, während das nicht als Referenz dienende Ende eine relative Bewegungsfreiheit besitzt. Diese relative Bewegungsfreiheit ist erforderlich, damit das Skalengehäuse 13 durch den Montageprozeß nicht verwunden oder verformt wird. Außerdem gestattet dieses Montageverfahren die Wärmedehnung des Gehäuses, ohne daß dieses dadurch verformt wird. Das kompressible Distanzteil 43 schützt das Gehäuse gegen Vibrationen, Beschädigung durch Fremdkörper, Transportschäden und Fehlmontage.
Das Skalengehäuse 13 umfaßt eine stranggepreßte Skala 49, ein rechtes stranggepreßtes Gehäuseteil 51, ein linkes stranggepreßtes Gehäuseteil 53 sowie Dichtlippen 55 und 57. Die Bauteile 49 bis 57 umschließen und schützen ein Gleitstück 59 der mitlaufenden Einheit 15 gegen Verunreinigung und physikalische Beschädigung. Das Gleitstück 59 trägt den optoelektrischen Leser 21 für die Skalenleiste 17, wobei die Skalenleiste 17 als innerer Flansch eine Verlängerung der stranggepreßten Skala 49 bildet. Zwischen den rechten und linken stranggepreßten Gehäuseteilen 51, 53 und der stranggepreßten Skala 49 sind Paßnuten und Flansche vorgesehen, so daß diese Teile bei Verbindung mit dem Kappenteil 31 und der Endkappe 23 ein stabiles Gehäuse bilden. Die stranggepreßten Teile 49, 51 und 53 können beispielsweise sämtlich aus Aluminium geformt sein.
Die Dichtlippen 55 und 57 sind aus einem flexiblen Material geformt, das vorzugsweise chemisch beständig ist, wie das unter dem eingetragenen Warenzeichen Teflon auf dem Markt befindliche Material oder Fluorsilikon. Die Dichtlippen 55 und 57 haben Wülste, die in einem aufgeweiteten Raum in Rillen im linken bzw. rechten stranggepreßten Gehäuseteil 51 bzw. 53 gehaltert sind. Die Dichtlippen 55 und 57 verlaufen in Form eines V aufeinander zu, das durch einen Hals 61 eines Meßkopfes 63 der mitlaufenden Einheit 15 geöffnet werden kann.
Der mitlaufende Meßkopf 63 ist ein einteiliges Formstück aus einer Formmasse wie beispielsweise das unter dem eingetragenen Warenzeichen Ryton erhältliche Material. Dieses einteilige Stück enthält ein Joch 65 und ein über den Hals 61 verbundenes Kopfteil 67. In dem Kopfteil 67 sind Schraubenlöcher 69 vorgesehen, so daß der mitlaufende Meßkopf 63 mittels durch die Schraubenlöcher 69 eingeführten Schrauben mit einem externen Element verbunden werden kann. Auf diese Weise kann der mitlaufende Meßkopf 63 an ein Gerät, z.B. das Bett einer Drehmaschine, angeschlossen werden, so daß die relative Position zwischen dem Bett (mit dem mitlaufenden Meßkopf 63 verbunden) und dem beweglichen Tisch (mit dem Skalengehäuse 13 verbunden) bestimmt werden kann.
Wie die Fig. 1, 2, 6 und 7 zeigen, hat das Joch 65 des mitlaufenden Meßkopfs 63 ein Paar Arme 71, 73 mit darauf befindlichen halbkugeligen Lagerflächen 75 und 77. Jede dieser Lagerflächen nimmt eine Zwischenpfanne 79 und 81 auf, welche als ein bewegliches Zwischenglied zwischen dem Ende des Gleitstücks 59 fungiert, das durch den mitlaufenden Meßkopf 63 wegen des Jochs 65 bewegt wird. Die Zwischenpfannen haben eine planare Oberfläche, die von einer planaren im Inneren einer entsprechenden Ausnehmung 83 im Ende des Gleitstücks 59 vorgesehenen Paßoberfläche aufgenommen wird (vergrößert in der Fig. 6 dargestellt).
Die Jocharme 71 und 73 sind durch den Paßsitz des Gleitstücks 59 zwischen den Zwischenpfannen 79 und 81 geringfügig federnd gespreizt. Allerdings sind die Spreizung der Arme und der Druck auf die Zwischenpfannen nicht so groß, daß die planaren Oberflächen der Zwischenpfannen am ungehinderten Gleiten entlang der planaren Oberfläche der Ausnehmung 83 gehindert werden. Dieser Druck kann durch eine Rille 85 bestimmt werden, durch welche die Flexibilität des Arms 71 geschwächt und verbessert wird. Auf diese Weise hat das Joch 65 am Arm 73 ein Referenzende, während das Ende am Arm 71 nicht als Referenz dient, ähnlich wie im Falle der Referenz- und Nicht-Referenzenden des Gehäuses 13. Die Werkstoffeigenschaften und die Größe der Rille 85 können bestimmen, wie streng das Joch 65 das Gleitstück 59 hält.
Die Aufgabe dieser Verbindung zwischen den Jocharmen 71 und 73 sowie dem Gleitstück 59 besteht darin, zu verhindern, daß nichtlineare Bewegungen des mitlaufenden Meßkopfs 63 ähnliche nichtlineare Bewegungen des Gleitstücks 59 verursachen. Anders ausgedrückt, es wird angestrebt, das Gleitstück 59 bezüglich der Skalenleiste 17 in seiner Position zu halten, wenn es sich relativ zu dieser linear bewegt. Indem zwischen dem Gleitstück 59 und dem mitlaufenden Meßkopf 63 eine Verbindung mit fünf Freiheitsgraden vorgesehen wird, kann diese Aufgabe gelöst werden.
Um die Jocharme 71 und 73 daran zu hindern, vollständig vom Gleitstück 59 getrennt zu werden, bevor das Skalengehäuse 13 und die mitlaufende Einheit 15 an den Elementen in relativer Position montiert werden, deren Bewegung sie nachgeführt werden, werden Stifte 87 durch Sicherungsstiftschlitze 89 in den Jocharmen 71 und 73 geführt.
Der Zweck der fünf Freiheitsgrade der Bewegung des Jochs 65 und des mitlaufenden Meßkopfes 63 in bezug auf das Gleitstück 59 ist zu verhindern, daß das Gleitstück 59 aus seiner linearen Bewegungsbahn bezüglich der Skalenleiste 17 verdrängt wird. In anderen Worten, es ist von entscheidender Bedeutung, daß die lineare Bewegung des Gleitstücks 59 innerhalb seines Bezugsrahmens (der die Skalenleiste 17 enthält) nicht durch andere als lineare Bewegungen parallel zur linearen Bewegung des Gleitstücks 59 (parallel zu einer durch die Mitte der Leiste 17 verlaufendenden imaginären Positionslinie) innerhalb des Bezugsrahmens des mitlaufenden Meßkopfes 63 gestört wird.
Um die Begrenzung des Gleitstücks 59 auf eine lineare Bewegung weiter zu fördern, ist ein spezielles Lager- und Federsystem vorgesehen. An den Ecken des Gleitstücks 59 sind Gleitlager 91 und 93 angeordnet, die an einer ersten planaren Referenzoberfläche 95 der stranggepreßten Skala 49 neben dem linken stranggepreßten Gehäuseteil 53 anliegen. Gleitlager 97, 99 und 101 sind so auf dem Gleitstück 59 angeordnet, daß sie auf einer zweiten planaren Referenzoberfläche 103 der stranggepreßten Skala 49 gleiten. Die zweite Referenzoberfläche 103 wird zum Teil durch eine Oberfläche der Skalenleiste 17 gebildet. Die zweite planare Oberfläche 103 ist im rechten Winkel zur ersten planaren Oberfläche 95 angeordnet. Die Lager 97, 99 und 101 bilden ein Dreieck, dessen Mittelpunkt etwa dem Mittelpunkt eines Ladungsverschiebeelements 105 entspricht.
Das Ladungsverschiebeelement 105 ist so angeordnet, daß seine Stirnfläche in der Nähe und etwa parallel zu einer Stirnfläche 107 des Gleitstücks 59 liegt, welches neben der zweiten planaren Referenzoberfläche 103 gleitet. Wenn also die Lager 97, 99 und 101 entlang der zweiten planaren Referenzoberfläche 103 gleiten, wird somit das Ladungsverschiebeelement 105 in einem festen geringen Abstand zur Skalenleiste 17 und den darin angebrachten Spalten 19 gehalten.
Der Körper des Gleitstücks 59 hat die Form eines geradenen rechtwinkligen Parallelepipeds, wovon die rechtwinklige Stirnfläche 107 einen Abschnitt darstellt. Um eine breite, stabile Auflage für die Einhaltung der linearen Bewegung des Gleitstücks 59 in seinem Bezugsrahmen zu schaffen, sind die Lager 91, 93, 99 und 101 an den Ecken des Körpers angeordnet. Die Lager 91 und 93 befinden sich in den oberen Ekken einer Oberfläche 111 gegenüber der Stirnfläche 107, und die Lager 99 und 101 befinden sich in den unteren Ecken der Stirnfläche 107. Das Lager 97 ist in der Mitte der oberen Kante von Stirnfläche 107 angeordnet.
Gegenüber den Gleitlagern 97, 99 und 101 ist eine Blattfeder 109 angeordnet. Die Blattfeder 109 ist an der Oberfläche 111 des Gleitstücks 59 befestigt, so daß sie diese Oberfläche nahe ihrer Mitte berührt. Sie liegt an einer Blattfeder-Verschleißscheibe 113 an, die in einer Paßnut im linken stranggepreßten Gehäuseteil 53 gehaltert ist. Auf diese Weise beaufschlagt die Blattfeder 109 das Gleitstück 59, so daß auf die Lager 97, 99 und 101 ein etwa gleicher Druck ausgeübt wird. Des weiteren trägt das mittig angeordnete Gleitlager dazu bei, Hysterese zu vermeiden, wenn des Gleitstück 59 seine Richtung wechselt.
Eine Blattfeder 115 ist unmittelbar gegenüber den Lagern 91 und 93 auf dem Gleitstück 59 vorgesehen. Sie berührt eine Blattfeder-Verschleißscheibe 117, die sich in einer Paßnut in einem unteren Flansch des linken stranggepreßten Gehäuseteils 53 erstreckt. Die Blattfeder 115 berührt die Verschleißscheibe 117 etwa in der Mitte des Gleitstücks 59 gegenüber den Lagern 91 und 93, so daß das Gleitstück 59 die Lager 91 und 93 mit ungefähr gleicher Kraft gegen die erste planare Referenzoberfläche 95 preßt.
Durch die Anordnung der fünf Lager 91, 93, 97, 99 und 101 an den diagonal gegenüberliegenden Ecken des Gleitstücks 59 (wobei das Lager 91 dem Lager 99 und das Lager 93 dem Lager 101 diagonal gegenüberliegt) und wobei das Lager 97 mittig auf der rechtwinkligen Kante zwischen den diagonal gegenüberliegenden Lagern angeordnet ist, ist das Gleitstück 59 auf nur einen Freiheitsgrad seiner Bewegung begrenzt, so lang die Federn 115 und 109 die Lager mit gleich großer Kraft gegen ihre Referenzoberflächen pressen. Dies wird mit einer Mindestanzahl von Lagern und Federn erreicht. Die Mindestanzahl ist von entscheidender Bedeutung, um Kippen des Gleitstücks und Hysterese zu vermeiden, die bei Verwendung von mehr, jedoch nicht präzise ausgerichteten Lagern auftreten würden.
Die Kombination der Ausführung des Gehäuses 13, die Auflagerung des Gleitstücks 59 im Gehäuse 13 und die Verbindung der mitlaufenden Einheit 63 mit dem Gleitstück 59 erzeugen ein Relativbewegungsgerät, das besonders präzise ist und Störungen der Linearbewegung verhindert. Es trennt den Bezugsrahmen des Gleitstücks und der Skala vom Bezugsrahmen des mitlaufenden Meßkopfes mit Ausnahme des linearen Freiheitsgrades parallel zur Leiste 17 und ihrer sich in Längsrichtung dazu erstreckenden imaginären Positionslinie. Dies ist deshalb wichtig, weil so der optische Leser 21 präzise nachgeführt werden kann, wenn er die Spalte 19 in der Skalenleiste 17 liest.
Die Gehäusemontage verhindert die Verformung der Skala während des Montageprozesses oder aufgrund anderer Kräfte. Insbesondere schützt das bewegliche Ende 33 des Gehäuses 13 die mitlaufenden Oberflächen und die Skala gegen Verformungen. Die das Gleitstück 59 tragenden Lager verhindern ein Abweichen des Lesers 21 vom linearen Weg entlang der Leiste 19. Die Verbindung der mitlaufenden Einheit 63 mit dem Gleitstück 59 verhindert eine Übertragung nichtlinearer Bewegungen der mitlaufenden Einheit 63 auf das Gleitstück 59. Somit ist für eine präzise wiederholbare lineare Bewegung des optischen Lesers 21 in bezug auf die Leiste 17 und die Spalte 19 gesorgt.
Die Bedeutung der stetigen, ruckfreien Nachführung des Gleitstücks 59 entlang den Referenzoberflächen 95 und 103 im Gehäuse 13 wird bei Kenntnis der Genauigkeit, die der Leser 21 bietet, offensichtlich. Der Leser 21 enthält das Ladungsverschiebeelement 105 sowie eine Lichtquelle 119. Die Lichtquelle 119 ist auf einem Arm 120 des Gleitstücks 59 montiert, der um die Leiste 17 verläuft. Die Lichtquelle 119 ist so befestigt, daß sie zum Ladungsverschiebeelement 105 weist, um Licht durch die Spalte 19 schicken zu können.
Bei dem Ladungsverschiebelement 105 handelt es sich vorzugsweise um ein Produkt von Texas Instruments mit der Teilenummer TC104. Dieses Element ist ca. 50 mm (2 Zoll) lang, und über seine Länge sind 3.456 Pixel zum elektrischen Lesen des aus der Lichtquelle 119 empfangenen Lichts angeordnet. Jedes Pixel hat sowohl ein Ein/Aus- als auch ein Lichtstärkesignal. Das Ladungsverschiebeelement verfügt über einen Dynamikbereich von ca. 1000 : 1 und eine Lesegeschwindigkeit von mehr als 0,5 ms. Aufbau, Betrieb, Lesen und Spannungsversorgung solcher Ladungsverschiebeelemente sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektrotechnik hinreichend bekannt.
Die Lichtquelle 119 erstreckt sich über eine Länge von 50 mm (2 Zoll) parallel zum Ladungsverschiebeelement 105 und auf dieses direkt ausgerichtet.
Vorzugsweise entspricht die Lichtquelle 119 in etwa einem Lambert-Strahler über diese gesamte Länge. Mit anderen Worten, diese Lichtquelle 119 liefert gleichförmiges, nichtgerichtetes Licht entlang der gesamten Länge der Lichtquelle, so daß ein sich in beliebiger Position zwischen der Lichtquelle 119 und dem Ladungsverschiebeelement 105 befindlicher Spalt 19 einheitlich gelesen wird. Leuchtplatten von Luminescence Systems, Inc. und Quantex, Inc. sind im Handel erhältlich. Betrieb, Aufbau und Spannungsversorgung solcher Platten sind dem Fachmann für Lichtquellen hinreichend bekannt. Des weiteren ist ein verbesserter Lambert-Strahler eines speziell für das erfindungsgemäße Gerät geeigneten Typs in meinen gleichzeitig anhängigen Anmeldungen USA 216750 und EP 89304751.4 beschrieben.
Die Spalte 19 in der Skalenleiste 17 sind paarweise entlang der Leiste 17 angeordnet. Paare 121, 123, 125 und 127 sind in der Leiste 17 gemäß Fig. 4 dargestellt. Jeder Spalt 19 verläuft quer zu einer imaginären Positionslinie, die sich durch die Mitte der Leiste 17 erstreckt. Außerdem verläuft jeder Spalt 19 quer durch die Leiste 17. Die Spalte 19 können mittels Laserschneiden oder mittels einer Funkenerosionsmaschine hergestellt sein. Sie erfordern keine präzise Positionierung. Die Leiste 17, der Arm 120 und das Gehäuse 13 sorgen dafür, daß nur das von der Lichtquelle 119 durch die Spalte 19 kommende Licht vom Ladungsverschiebeelement 105 empfangen wird.
Vom Konzept her kann die Skala oder Distanz entlang einer Positionslinie 129 in Segmente, z.B. Segmente 131, 133, 135 und 137, unterteilt werden. Diese Segmente sind fortlaufend und nicht überlappend entlang der Positionslinie 129 angeordnet. In jedem Segment ist ein einzelnes Spaltpaar angeordnet. So ist also das Paar 121 innerhalb des Segments 131, das Paar 123 innerhalb des Segments 133 angeordnet usw.
Jedes Spaltpaar definiert sowohl das Segment als auch eine präzise Position innerhalb des Segments. Der Abstand zwischen den Spalten eines jeden Paares ist für jedes Segment eindeutig. Eine Abstandsmessung entsprechend dem Abstand zwischen den Spalten 19 des Paars 121 definiert somit, daß sich dieses Spaltpaar 121 innerhalb des Segments 131 befindet. Da die Abstandsmessung zwischen den Spalten 19 des Paars 123 verschieden ist, ist mit diesem Abstand definiert, daß sich das Spaltpaar 123 im Segment 133 befindet.
Eine präzise Position entlang der Positionslinie 129 kann aus der Kombination der Lage der Spalte 19 eines Paars wie dem Paar 121 bestimmt werden. Läge beispielsweise ein erster Spalt 139 des Paars 121 bei 132,1 mm (5,2 Zoll) und ein zweiter Spalt 141 des Paars 121 bei 137,1 mm (5,4 Zoll) entlang der Positionslinie 129, so wäre die präzise Position entlang des aus der Kombination definierten Segments ein Durchschnittswert von 134,6 mm (5,3 Zoll) entlang der Positionslinie. Somit könnte die Kombination der Spaltpositionen 139 und 141 eine präzise Position 134,6 mm (5,3 Zoll) entlang der Positionslinie definieren. Wie nachstehend detaillierter erläutert, ist es nicht erforderlich, daß die Spalte z.B. bei 132,1 mm und 137,1 mm (5,2 und 5,4 Zoll) zur Definition einer sehr präzisen Position innerhalb des Segments positioniert sind.
Die Fig. 5 ist die graphische Darstellung des Spannungsausgangssignals des Ladungsverschiebelements 105, das das Licht von der Lichtquelle 119 durch ein Spaltpaar erfaßt. Die x-Achse repräsentiert die Zeit, die y-Achse die Spannung. Die dargestellte Zeit reicht für ein einmaliges Abtasten der Bildpunkte oder Pixel des Ladungsverschiebeelements aus. Die Spannung ist eine Anzeige für die auf das betreffende Pixel in dem Zeitpunkt einfallende Lichtmenge, in dem das betreffende Pixel während des Abtastens des CCD abgefragt wurde.
Die Lichtverteilung aufgrund des durch die Spalte 19 scheinenden Lambert-Strahlers 119 ist für jeden Spalt im wesentlichen eine Gauß-Verteilung. Die Erfindung nutzt mehr als das erste oder letzte Pixel eines Spaltsignals. Statt dessen verwendet die Erfindung mindestens das erste und das letzte Pixel eines Spaltsignals. Das erste und letzte kann durch ein Signal bestimmt werden, das größer ist als eine vorgegebene Signalstärke. Diese ersten und letzten Signale werden dann gemittelt, um den Mittelwert beider zu bestimmen (eine Zeitmessung, da die Pixel nacheinander in einem schnellen Takt abgefragt werden). Noch besser als eine erste und letzte Pixeldarstellung des Spaltsignals ist eine mathematische Ableitung des Mittelwerts der Gauß-Verteilung, die sämtliche Signalstärken größer als ein vorgegebener Betrag verwendet, die aus dem den Spalt passierenden und die Bildpunkte des CCD erregenden Licht resultieren. Eine solche Abweichung kann mathematisch durch Summieren aller Signalstärken und Anwendung einer Gauß-Verteilungsformel zur Bestimmung des Mittelwerts des Spaltsignals bestimmt werden.
Somit wird das die Spalte 139 und 141 passierende Lichtsignal auf eine erste Zeitmessung t1 und eine zweite Zeitmessung t2 reduziert. Die Größe t1 ist direkt proportional zur Lage des Spalts 139, und die Größe t2 ist direkt proportional zur Lage des Spalts 141 bezüglich des Ladungsverschiebeelements 105.
Die Größe t2 minus t1 ist für jedes Segment eindeutig, da der Abstand zwischen den Paaren in jedem Segment eindeutig ist. Die Größe t1 plus t2 kann eine präzise Position innerhalb des Segments repräsentieren, wie z.B. den mittleren Abstand zwischen den Spalten 139 und 141.
Zur Durchführung der obenbeschriebenen Leseoperationen wird die in der Fig. 3 vereinfacht dargestellte Elektronik verwendet. Die links von einer gestrichelten Linie 143 dargestellten elektronischen Bauteile sind auf einer Platine angeordnet, die im Inneren des Gleitstücks 59 installiert ist. Die Bauteile rechts von einer gestrichelten Linie 145 können in einer Steuereinheit (nicht dargestellt) angeordnet sein, die sich außerhalb des Geräts befindet; z.B. auf dem Bett einer Drehmaschine befestigt ist. Eine kleine, flexible, elektrische Verbindung 147 (Fig. 7) verbindet eine Platine 149 und das Gleitstück 59 mit einer Signalverstärkerplatine 151 im mitlaufenden Meßkopf 63. Ein flexibles Kabel mit Schutzrohr 153 verbindet die Verstärkerplatine 151 mit der Steuereinheit (nicht dargestellt).
Wie die Fig. 3 zeigt, erzeugt das Ladungsverschiebeelement 105 ein Videoausgangssignal 155, das an einen Haltverstärker 150 übertragen wird. Das Signal eines einzelnen Spalts vor dem Halteverstärker ist schematisch bei 152 und nach dem Halteverstärker bei 154 dargestellt. Das Halteverstärkersignal wird von Verstärkern 156 und 158 weiter verstärkt und dann durch einen Flash-A/D-Wandler 157 in eine digitale Darstellung gewandelt. Dieses digitale Signal wird dann in einem Digitalsignalprozessor 159 verarbeitet. Das Resultat ist eine rasche Bestimmung einer Größe t1 (eine Zeitgröße), die die Lage des ersten abgetasteten Spalts bezüglich des CCD 105 sowie einer Größe t2 (ebenfalls eine Zeitgröße), die die Lage des zweiten abgetasteten Spalts bezüglich des CCD 105 repräsentiert. Diese Größen t1 und t2 stellen nicht einfach die Lage einzelner Pixel dar, sondern sind mathematisch abgeleitete Mittelwerte der Spalte auf Basis der Kombination von durch die Spalte beleuchteten Pixel (mindestens erstes und letztes). Somit werden die Spalte bei Anwendung dieses Verfahrens des Spaltlesens bezüglich des CCD sehr viel genauer positioniert.
Anstelle der einfachen Berechnung von t1 und t2 bestimmt der Mikroprozessor 159 die Größen t1 plus t2 und t2 minus t1. Diese Größen definieren das Segment (t2-t1) und die präzise Position im Segment (t1+t2). Da t1+t2 noch mehr Positionsinformationen verwendet, ist diese Größe selbstverständlich ein noch genauerer Positionsanzeiger als eine einzelne Spaltgröße (t1 oder t2).
Ein elektronischer Speicher 161 dient zum Datenaustausch mit dem Mikroprozessor 159. Somit wird jede Segment-Identifikationsgröße (t2 minus t1) in den Speicher 161 eingetragen. Wenn der Mikroprozessor 159 eine Differenz t2 minus t1 aus dem Signal vom Ladungsverschiebeelement 105 bestimmt, vergleicht er diese Größe mit den im Speicher 161 eingetragenen Größen und bestimmt damit ein Segment (z.B. das Segment 131), in dem das vom Ladungsverschiebeelement 105 gelesene Spaltpaar liegt. Der Speicher 161 hält (beispielsweise) eine entsprechende präzise mittlere Distanz der absoluten Lage zwischen den Spalten in diesem bestimmten Segment (eine Verweistabelle). Diese Größe wird aus dem Speicher 161 abgerufen und mit dem aus dem Lesen der Spalte resultierenden Signal t1 plus t2 verglichen, um eine präzise absolute/ relative Position des Ladungsverschiebeelements bezüglich der zu lesenden Spalte zu erhalten. Da die Position des Ladungsverschiebeelements 105 bezüglich der Spalte einer präzisen relativen Position zwischen den Elementen, mit denen es verbunden ist, entspricht, wird somit eine präzise relative Position zwischen den Elementen, mit denen das Gerät verbunden ist, erhalten. Beispielsweise kann die präzise Position des beweglichen Tisches einer Drehmaschine bezüglich des Drehmaschinenbettes bestimmt werden.
Zur erstmaligen Eintragung der Positionsinformation t2 minus t1 sowie der Information t2 plus t1 in den Speicher 161 ist es wünschenswert, daß der Speicher 161 ein elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher ist. Zunächst kann ein Laser-Interferometer an das feste oder Referenzende 27 des Gehäuses 13 angeschlossen werden, und die präzisen Positionen der Spalte 19 können mittels des Laser-Interferometers gelesen werden, während sich das Gleitstück 59 entlang der Leiste 17 abwärts bewegt. Die präzisen Größen t2 minus t1 und t1 plus t2 können anhand der vom Ladungsverschiebeelement 105 gelesenen Daten zusammen mit den genauen vom Laser-Interferometer gelieferten Positionsdaten berechnet werden, während ein Kalibrierdurchlauf erfolgt.
Auf diese Weise wird im Speicher 161 eine Verweistabelle gebildet, die für jedes Segment eine Segment-Identifikationsgröße sowie eine Positionsgröße enthält. Nachstehend ist ein Beispiel für eine Verweistabelle wiedergegeben: Verweistabelle Segment t2-t1 Kalibrierte Absolutposition für t1 + t2 Zoll
Nach der Berechnung der Größe t2-t1 gibt der Festwertspeicher eine Absolutposition für t1+t2 entsprechend t2-t1 zurück. Der tatsächliche Wert von t1+t2 repräsentiert die Position des CCD in bezug auf die kalibrierte Position (an welcher Stelle des CCD die kombinierte kalibrierte Positionsgröße liegt) dar. Der Mikroprozessor vergleicht dann den tatsächlichen Wert t1+t2 mit der kalibrierten Position, um die absolute Position des CCD bezüglich der Skala zu bestimmen. So könnte z.B. ein tatsächlicher Wert t1+t2 4738.321 (Pixel oder Taktschritte) betragen, für den mittels einer mathematischen Formel eine Entsprechung von 25,84097 mm (1,017361 Zoll) entlang des CCD bestimmt werden könnte. Diese wird mit der kalibrierten Position des Werts t1+t2 für das vorgegebene Segment 133 kombiniert, um eine präzise Absolutposition von 38,26147 + 25,84097 oder 64,10244 mm (1,506357 + 1,017361 oder 2,523718 Zoll) anzuzeigen.
Das Verfahren beinhaltet daher eine Kalibrierung mit einem Kalibriergerät, z.B. einem Laser-Interferometer. Dieser Schritt sollte mit dem in einer Leseposition montierten Gerät 11 ausgeführt werden, das so arbeitet, daß die relativen Positionen der Spalte 19 durch Kombinieren der vom Gerät 11 gelesenen Größen mit den tatsächlich durch die Kalibrierung des Lesers 21 bezüglich jedes Spalts 19 bestimmten Positionsgrößen kalibriert werden.
Im Zuge der Kalibrierung der Skala werden die bestimmten Positionen der Spalte oder Marken in den Speicher 161 eingetragen, um eine Verweistabelle der kalibrierten Positionen bezüglich der Skala für jede Marke oder jedes Segment zu generieren. Nach der Generierung der Tabelle werden Positionsmarken durch den Leser 21 gelesen, und die Verweistabelle wird zur Bestimmung der kalibrierten Position des Maschinenlesers bezüglich der Skala herangezogen. Wie zu erkennen ist, können die Kosten für den Codierer drastisch gesenkt werden, da ein Präzisionsschneiden der Spalte 19 in der Leiste 17 nicht erforderlich ist. Die Präzision des Geräts resultiert einzig aus der Präzision der Kalibrierung mittels eines Geräts wie z.B. ein Laser-Interferometer sowie aus der Genauigkeit des Leseverfahrens, durch das die Spalte 19 bezüglich des Ladungsverschiebeelements 105 lokalisiert werden. Der Speicher 161 sichert diese Präzision ohne präzise Lage der Spalte in der Leiste 17. Auf diese Weise kann eine Genauigkeit von 0,0025 bis 0,000125 mm (0,0001 bis 0,000005 Zoll) über eine Länge von einigen Metern (einigen Fuß) erzielt werden.
Der Ausgang des Mikroprozessors 159 ist ein elektrisches Positionssignal, und dieses Signal kann automatisch auf elektrischem Wege zur Steuerung der Funktionen des Geräts verwendet werden, an das das Positionsgebergerät 11 angeschlossen ist. So könnten z.B. die Bewegungen einer Drehmaschine automatisch programmiert und gesteuert werden.
Da diese hohe Genauigkeit empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, kann ein an der Feder 109 angebrachter Temperaturfühler 163 vorgesehen sein. Diese Temperaturmessung durch den Temperaturfühler 163 wird in ein elektrisches Signal, durch einen Analog/Digital-Wandler 164 in ein digitales Signal gewandelt und dann an den Mikroprozessor 159 übergeben, der damit auf mathematische Weise einen Ausgleich der Wärmedehnung der Leiste 17 vornimmt. Die mathematische Formel zur Temperaturwandlung kann empirisch auf Basis einer Kalibrierung mittels Laser-Interferometer bei repräsentativen Temperaturen hergeleitet werden.
Obwohl das Gerät am besten funktioniert, wenn es speziell zur Erfüllung der obenbeschriebenen Aufgaben konstruiert ist, ist es möglich, alte Geräte durch zusätzliche Elektronik für Kalibrieren, Lesen und Speichern gemäß der obigen Lehre anzupassen. Auf diese Weise kann eine alte unpräzise Skala mit Leser so präzise gemacht werden, wie das Kalibrier-Interferometer imstande ist zu lesen. Analog kann im Falle eines beschädigten oder auf andere Weise ungenau gewordenen Geräts eine Neukalibrierung vorgenommen werden, wenn es sich bei dem Speicher 161 um einen löschbaren programmieren Festwertspeicher handelt, oder wenn das Speicherchip ausgewechselt werden kann.
Obwohl die Positionslinie 129 als linear dargestellt und beschrieben ist, ist es möglich, eine krummlinige Positionslinie zu erzeugen, um die Konzepte z.B. für ein Rotationsgerät zu modifizieren. Die Segmente sind zwar als fortlaufend beschrieben, es ist jedoch uneingeschränkt möglich, eine unterbrochene Anordnung der Segmente vorzusehen, sofern nur bestimmte Abschnitte der Skala gelesen zu werden brauchen. Außerdem ist es möglich, das beschriebene Kalibrier- und Leseverfahren weitgehend zur Verbesserung eines seriellen oder zählerartigen Positionsgebergeräts anzuwenden. Damit ist es selbst ohne Paarungen zur Anzeige der Absolutposition durch die Kalibrierung gezählter Schritte möglich, ein unpräzises seriell arbeitendes Gerät zu einem sehr präzisen zu machen.
Das Gerät kann zwar in vielen verschiedenen Größen hergestellt werden, im allgemeinen sollte es etwa zwischen 100 mm und einigen Metern (von einigen Zoll bis zu einigen Fuß) lang sein. Das dargestellte Gerät hat eine Länge von ca. 1,2 m (4 Fuß) und eine Breite von ca. 50 mm (2 Zoll). Die Spalte 19 haben normalerweise eine Breite von 1 mm (0,04 Zoll). Falls gewünscht, kann die Breite der Spalte 19 zur Bereitstellung zusätzlicher Informationen oder als Ersatz für Spaltpaare verwendet werden. Dies würde jedoch die Genauigkeit des Geräts mindern, da dadurch die Menge der Informationen zur Bestimmung der Positionen verringert wird.

Claims

1. Elektronisches Präzisionsgerät (11) zur Absolutpositionierung, das folgendes umfaßt:

eine Skala (17), die entlang einer durch einen Satz Positionssegmente (131, 133, 135, 137) definierten Positionslinie (129) angeordnet ist;

wobei auf der Skala (17) entlang der Positionslinie (129) maschinenlesbare Marken (19) so angebracht sind, daß sich mindestens zwei der Marken in jedem der Segmente befinden, und die Anordnung der Marken so gewählt ist, daß die relative Position zwischen den mindestens zwei Marken in jedem der Segmente eindeutig ist, um das betreffende Segment zu definieren, und daß die Kombination der Linienpositionen der mindestens zwei Marken eine präzise Position entlang der Positionslinie (129) innerhalb des betreffenden Segments definiert;

eine Maschinenleseeinrichtung (105), die in bezug auf die Skala (17) entlang der Positionslinie (129) derart bewegbar ist, daß die Leseeinrichtung die mindestens zwei Marken von mindestens einem Segment zum Lesen abtasten kann, um die mindestens zwei Marken in dem mindestens einen Segment zu lesen und in elektrische Signale umzuwandeln, so daß die elektrischen Signale die relative Linienposition zwischen den mindestens zwei Marken, die Kombination der Linienpositionen der mindestens zwei Marken und die relative Linienposition der Maschinenleseeinrichtung (105) in bezug auf die Marken melden;

eine elektronische Speichereinrichtung (161) zur Sicherung und elektronischen Übermittlung einer Segmentanzeige für jedes Segment entsprechend der relativen Linienposition zwischen den mindestens zwei Marken jedes Segments, und eine Anzeige der präzisen Position entlang der Positionslinie entsprechend der Segmentanzeige und der Kombination der Linienpositionen der mindestens zwei Marken dieses Segments; und

eine Positionsbestimmungseinrichtung (159), die die elektronischen Signale von der Leseeinrichtung empfängt, die Signale unter Verwendung der Speichereinrichtung (161) interpretiert und daraus die absolute Position entlang der Positionslinie (129) der Leseeinrichtung (105) in bezug auf die Skala (17) ermittelt.

2. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 1, wobei die Positioniereinrichtung folgendes umfaßt:

eine mit der Leseeinrichtung (105) und der Speichereinrichtung (161) verbundene Berechnungseinrichtung (159), die aus von den elektrischen Signalen der Leseeinrichtung abgeleiteten Informationen und aus von der Speichereinrichtung abgeleiteten Informationen eine präzise Positionsmessung entlang der Positionslinie (129) entsprechend dem Segment neben der Leseeinrichtung sowie eine relative Positionsmessung der Leseeinrichtung bezüglich der präzisen Position berechnet.

3. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 2, bei dem die Marken Spalte (19) umfassen, welche durch die Leiste (17) verlaufen und so orientiert sind, daß sie die Positionslinie (129) schneiden, um den Durchgang von Licht zu gestatten.

4. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 3, bei dem die Maschinenleseeinrichtung ein Ladungsverschiebeelement (105) umfaßt, das an einer Seite der Leiste (17) angeordnet ist und sich über eine ausreichend lange Strecke entlang und neben der Positionslinie (129) erstreckt, so daß es stets so positioniert ist, daß es die mindestens zwei Spalte des mindestens einen Segments lesen kann.

5. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 4, das weiterhin eine Lichtquelle (119) umfaßt, die an einer gegenüberliegenden Seite der Leiste (17) so angeordnet ist, daß sie Licht durch die Spalte (19) auf das Ladungsverschiebeelement (105) schickt.

6. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 5, bei dem die Lichtquelle (119) so mit der Maschinenleseeinrichtung verbunden ist, daß sie sich mit der Maschinenleseeinrichtung bewegt, wenn diese in bezug auf die Positionslinie (129) der Skala (17) verfahren wird.

7. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 6, bei dem die Lichtquelle (119) in etwa einem Lambert-Strahler entspricht und neben der Positionslinie (129) der Skala (17) über eine ausreichende Strecke verläuft, um stets so positioniert zu sein, daß sie Licht durch die zum Lesen mittels des Ladungsverschiebeelements (105) positionierten mindestens zwei Spalte (19) schickt.

8. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 2, bei dem die Speichereinrichtung eine Festwertspeichereinrichtung (16) und die Berechnungseinrichtung einen Rechner (159) umfaßt.

9. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 8, das des weiteren einen Temperaturfühler (163) zur Erfassung der Temperatur der Skala (17) und zur Umwandlung der erfaßten Temperatur in ein elektrisches die Temperatur meldendes Signal umfaßt, und bei dem die Berechnungseinrichtung (159) die Wärmedehnung der Skala (17) anhand des die Temperatur meldenden elektrischen Signals ausgleicht, indem sie die präzise Positionsmessung entlang der Positionslinie (129) entsprechend dem Segment (131, 133, 135, 137) neben der Leseeinrichtung (105) berechnet.

10. Ein elektronisches Präzisionsgerät für die Absolutpositionierung nach Anspruch 8, bei dem der Festwertspeicher eine löschbare programmierbare Festwertspeichereinrichtung (161) umfaßt, so daß die Speicheranzeigen zur Korrektur von durch die Speicheranzeigen repräsentierten Positionsänderungen rückgesetzt werden können.

11. Elektronisches Präzisionsgerät für die Absolutpositionierung nach Anspruch 7, bei dem die Berechnungseinrichtung eine Einrichtung zur Berechnung des Mittelwerts der Lichtstärke von Licht umfaßt, das durch die Spalte (19) auf das Ladungsverschiebeelement (105) gerichtet ist.

12. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 11, bei dem die Lichtquelle (119) in einem Abstand von weniger als 1,27 mm (0,050 Zoll) von der Leiste (17) positioniert ist.

13. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 12, bei dem das Ladungsverschiebeelement (105) in einem Abstand von weniger als 1,27 mm (0,050 Zoll) von der Leiste (17) positioniert ist.

14. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 13, bei dem das Ladungsverschiebeelement (105) eine Auflösung von mindestens 19,7 Pixel pro mm (500 Pixel pro Zoll), einen Dynamikbereich von mindestens 500 : 1 und eine Lesegeschwindigkeit von weniger als 2 ms hat.

15. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 1, bei dem auf der Skala (17) nur zwei maschinenlesbare Marken (19) für jedes der Segmente (131, 133, 135, 137) angebracht sind.

16. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 15, bei dem die Skala (17) ein Metallteil umfaßt und die Marken durch das Metallteil verlaufende Spalte (19) umfassen.

17. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 16, bei dem jedes der Segmente (131, 133, 135, 137) diskret ist, und die Segmente sich nicht überlappen.

18. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 17, bei dem die Spalte (19) jeweils eine Breite im Bereich von ca. 0,127 mm bis 2,54 mm (0,005 Zoll bis 0,1 Zoll) besitzen.

19. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 18, bei dem die beiden Spalte (19) jedes der Segmente (131, 133, 135, 137) zueinander in einem eindeutigen Abstand im Bereich von ca. 1,27 mm bis 50,8 mm (0,05 Zoll bis etwa 2,0 Zoll) angeordnet sind.

20. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 19, bei dem die Maschinenleseeinrichtung das Ladungsverschiebeelement (105) umfaßt, dessen Länge ausreicht, um stets jeweils die zwei Spalte (19) von mindestens einem Segment zum Lesen zu überbrücken, und das eine Auflösung von mindestens 19,7 Pixel pro mm (500 Pixel pro Zoll), einen Dynamikbereich von mindestens 500 1 und eine Lesegeschwindigkeit von weniger als 2 ms aufweist.

21. Elektronisches Präzisionsgerät zur Absolutpositionierung nach Anspruch 20, das ferner die Lichtquelle (119) umfaßt, die so angeschlossen ist, daß sie sich mit dein Ladungsverschiebeelement (105) bewegt, und so angeordnet ist, daß sie Licht durch die Spalte (19) auf das Ladungsverschiebeelement (105) richtet; wobei die Lichtquelle (119) in etwa einem Lambert-Strahler entspricht, welcher sich entlang und neben dem Metallteil (17) über eine hinreichende Länge erstreckt, um stets dieses Licht zum Lesen durch die beiden Spalte des mindestens einen Segments zu schicken.

22. Verfahren zur Ableitung von Positionsinformationen aus einem Positionsanzeigespalt (19) in einer Skalenleiste (17), das folgendes umfaßt:

Richten von Licht durch den Spalt (19) auf ein mehrere Pixel breites Ladungsverschiebeelement (105) in der Weise, daß mehr als eines der Pixel beleuchtet ist; wobei die beleuchteten Pixel des Ladungsverschiebeelements elektrische Signale proportional zur Beleuchtungsstärke erzeugen;

und wobei mindestens zwei der erzeugten elektrischen Signale zur Bildung einer Positionsinformation, die sich aus mindestens zwei Elementen zusammensetzt, herangezogen werden.