DE8103741U1

DE8103741U1 - Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung

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Publication number: DE8103741U1
Application number: DE19818103741
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1981-02-12
Filing date: 1981-02-12
Publication date: 1986-05-22

Description

- 1 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11. Februar I98I

Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind Positioniereinrichtungen bekannt. In der DE-OS 18 1^ 785 wird z. B. eine lichtelektrische Längenmeßeinrichtung beschrieben, bei der neben der Inkrementalteilung noch eine Referenzmarke vorgesehen ist. In dieser Druckschrift ist die Funktionsweise einer lichtelektrischen inkrementalen Meßeinrichtung dargelegt. Ferner ist insbesondere die Funktion und der Aufbau einer Referenzmarke durch die Figur 2 dargestellt.

Gemäß dem Stand der Technik (DE-PS 876 1Ö2) ergibt sich an einer Markierung ein besonders günstiger Signalverlauf, wenn die Striche der Strichgruppe in ungleichen Abständen voneinander angeordnet werden* Die Abtastplatte für eine derartige Markierung weist demgemäß ein Ablesefeld auf,

das die gleiche Strichverteilung in der Strichgruppe hat, wie die Markierung. Bei genauer und vollständiger Überdeckung von Markierung und Ablesefeld wird ein Signal mit ausreichend hohem Nutz-/Störsignalverhältnis erzielt.

In den Druckschriften kommt die Problematik inkrementaler Meßsysteme zum Ausdruck: Nach Betriebsunterbrechungen kann nicht ohne weiteres die Anfangslage der Meßeinrichtung wiedergewonnen werden. Die Druckschrift (DE-OS 18 Ik 785) gibt Maßnahmen an, wie diese Referenz auf möglichst einfache Weise wiedergewonnen werden kann.

Die Nachteile der bekannten Meßeinrichtung liegen jedoch darin, daß bei Ausfall der Beleuchtung die Messung gestört wird und dies zu erheblichen Betriebsunterbrechungen mit langen Ausfallzeiten führen kann.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine inkremen= tale Positioniereinrichtung zu schaffen, bei der durch den Ausfall der Beleuchtung die momentane Messung nicht spürbar gestört wird und die genauer arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in der sicheren lagerichtigen Erzeugung nur eines Referenzsignales mit ausreichendem Nutz-/Störsignalver-

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hältnis, auch wenn die Beleuchtung einer Abtaststelle ausgefallen ist. Der sich ergebende Unterschied im Potential des Signals läßt sich weitestgehend kompensieren.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung
werden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine lichtelektrische Positioniereinrichtung mit zwei Ablesestellen in einer schematischen Seitenansicht,
Figur 2 einen Maßstab mit Teilungsspuren und schematisierter

Abtastplatte,

Figur 3 eine Winkelmafiverkörperung mit Ablesefeldern ähnlich wie in
Figur 2

Figur k einen schematischen Signalver

lauf bei der Abtastung einer
Referenzmarke,

Figur 5 einen schematischen Signalverlauf bei Abtastung einer anderen Referenzmarke,

Figur 6 einen Signalverlauf bei korrekter Abtastung zweier Referenzmarken.

In Figur 1 sind zwei Lampen L₁ und L₂ in einer Abtastbaueinheit 1 angeordnet. Die Lampen L. und L_? sind in einem konstanten Abstand voneinander befestigt, werden übe einen gemeinsamen Widerstand R betrieben und beleuchten jeweils eine Abtaststelle I bzw, II. Eine Abtastplatte A weist Ablesefelder AT für die Meßteilung, AR für die Referenzmarken und AG für Gegentaktsignale auf. Ein Maßstab M trägt auf Teilungsspuren eine inkrementale Meßteilung T, Referenzmarkierungen R, sowie auf der Gegentaktspur G Verengungen zur Veränderung eines Gegentaktsignales. Die Abtastbaueinheit 1 ist

; relativ zum Maßstab M verschiebbar gelagert. Bei

Relativbewegungen zwischen Maßstab M und Abtast-

v 15 baueinheit 1 wird die Abtastplatte A entlang der

■;, Teilungsspuren in bekannter Weise geführt. Der

von den Lampen L₁ und L₂ ausgehende Lichtstrom tritt dabei sowohl durch die Abtastplatte A als auch durch den Maßstab M. Dabei wird der hindurchtretende Lichtstrom durch die auf beiden

Elementen A und M vorhandenen Hell-/Dunkelfeider der Teilungsspuren in bekannter Weise moduliert. Der modulierte Lichtstrom trifft auf lichtempfindliche Elemente P, deren Signale in einem Auswertebaustein B in bekannter Weise aufbereitet und einem Vorwärts-Rückv.Mrtszähler VR zugeführt werden, der den Verschiebe\*eg digital anzeigt, wobei durch die Referenzmarkonsignale eine Eichung bzw. eine Korrektur der inkrementalen Meßwerte erfolgt.

In der Beschreibung und in den Figuren wird darauf verzichtet, die Vorwärts-Rückwnrtszählung durch vor- oder nacheilende Signale zu erörtern, da dies in zahlreichen Druckschriften ebenso aus-

führlich dargelegt ist, wie die Eliminierung von Gleichstromanteilen, die sich auf die Signalsymmetrie auswirken könnten. Es sei nur darauf verwiesen, daß zu diesen Zwecken zusätzliche Ablesefelder AT (s. Fig. 2 und 3) und lichtempfindliche Elemente vorzusehen sind, die in bestimmter Zuordnung die Inlcrementalteilung abtasten und in bekannter Weise schaltungstechnisch verknüpft werden müssen. Da derartige Maßnahmen bei der Darstellung der Erfindung jedoch eher verwirren, wurde auf die weitergehende Darstellung dieser bekannten Einzelheiten verzichtet.

Die Ablesefelder AT, AR und AG müssen exakt um einen bestimmten Betrag zueinander versetzt liegen, da die resultierenden Abtastsignale der jeweiligen Sipureh durch analoge Addition zusammengefaßt werden..Daraus ergibt sich eine höhere Genauigkeit, da eine insgesamt größere Fläche der Teilung abgetastet wird. Unsauberkeiten der Teilung haben nur noch kleinere Signalfehler zur Folge(siehe auch Figur k_t 5 und 6).

Die Figur 2 zeigt einen Maßstab, bei dem auf einer Teilungsspurder M^ßverkörperung M eine Inkrementalteilung T mit bestimmter Gitterkonstante aufgebracht ist. Eine zweite Teilungsspur weist Referenzmarken R_T und R__T auf. Jede der Referenzmarken R und R besteht aus einer Gruppe paralleler Striche. Die Verteilung der Striche innerhalb der jexveiligen Gruppe ist unregelmäßig. Von entscheidender Bedeutung ist dabei, daß die Strichverteilung eindeutig ist. Die Verteilung der

Striche in beiden 'Strichgruppen der Referenzmarken muß identisch sein.

Zusätzlich ist eine dritte Spur G zur Erzeugung eines Gegentaktsignals vorgesehen* Diese Spur G weist im Bereich jeder Abtaststelle I bzw II eine Verengung G_T bzw. G der Spur G auf, was beim Abtasten des Maßstabes jeweils an der Verengung G_T bzw. G zu Veränderungen des Lichtstromes und damit des Gegentaktsignales führt. Diese Lichtstrommodulation durch die Gegentaktspur G wird mit den Referenzsignalen elektrisch zusammengefaßt.

In Figur 3 ist eine entsprechende Vinkelmeßeinrichtung dargestellt. Gleichartige Elemente wie in der Figur 2 sind durch entsprechende Bezugszeichen mit dem zusätzlichen Index "V" bezeichnet.

In Figur h ist der Signalverlauf dargestellt, der sich aus der Abtastung der Referenzmarkenspur und der Gegentaktspur entsprechend der Anordnung gemäß Figur 2 ergibt. Hierbei wird nur die Abtaststelle I betrachtet. Die Maßverkörperung M wird dazu in Richtung "X" verschoben. Demgemäß ergibt sich an der Abtaststelle I folgender Ablauf:

Das nicht dargestellte lichtempfindliche Element, das dem Ablesefeld AG_T der Abtastplatte A zugeordnet ist, wird durch die Gegentaktspur G voll beleuchtet und erzeugt das Gegentaktsig-

nal J₂. Die Teilungsspur auf der die Referenzmarken R₁ und R₁₁ liegen, ist noch lichtundurchlässig, das dem zugehörigen Ablesefeld AR_ zugeordnete lichtempfindliche Element liefert dementsprechend noch kein Signal ausreichender Höhe. Beim weiteren Verschieben der Maßverkörperung M entlang der Abtaststelle I wird das Signal J„ .zuerst durch die Verengung G__ moduliert, wenn diese das Ablesefeld AG passiert. Das Signal nimmt während dieses Vorganges ab (s. JG_TT). Bei weiterer Verschiebebewegung passiert die Referenzmarke R_TT das Ablesefeld AR_T und es wird ein Referenzimpuls JRjt erzeugt, der im Diagramm im Signalverlauf J₁ dargestellt ist. Da die Absenkung JG__T und der Referenzimpuls JIL nicht gleichzeitig auftreten, wird der Referenzimpuls von der Auswer-teelektronik nicht erkannt. Bei weiterer Verschiebung der Maßverkörperung M decken sich , an der Abtaststelle I die Verengung G und das Ablesefeld AG_ sowie die Referenzmarke R_ mit dem Ablesefeld AR_. Die Signalmodulation JG_T im Signalverlauf J„ und der Referenzimpuls JR im Signalverlauf J treten gleichzeitig auf. Die Triggerschaltung in der Auswerteelektronik erkennt den Referenzimpuls und wertet ihn in bekannter Weise aus.

In Figur 5 sind die Signalverläufe J_ und J. in äquivalenter Weise gezeigt, wenn ausschließlich die Abtaststelle II betrachtet wird.

Betrachtet man beide Abtaststellen I und II, so ist erkennbar, daß bei dieser Konstellation beide

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Referenzimpulse JR₁ und JR₁₁ gleichzeitig auf- : ' treten.

Ein Referenzimpuls soll bei einer inkrementalen Meßeinrichtung nach Betriebsunterbrechungen ermöglichen, die Bezugslage wieder herzustellen, oder laufend das System eichen. Demgemäß benötigt man einen Referenzimpuls immer bei der gleichen Lagebeziehung von Maßverkörperung M und Abtast-

s 10 platte A. Durch bekannte elektrische Maßnahmen

§ lassen sich die vorbeschriebenen zeitgleich bzw.

M lagegleich auftretenden Referenzimpulse JR_T und

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$t JR_TT analog zusammenfassen, so daß ein resul-

tierendes Referenzsignal JR erzeugt wird, das 15 immer eindeutig bei derselben Lagebeziehung von Maßverkörperung und Abtastplatte auftritt.

Ein derartiger Signalverlauf ist in Figur 6 dargestellt. Er ist durch einfache analoge Addition der vorgenannten vier Signale J₁, Z₁ J_, Jj, nach der Bedingung J = (J₁ - J₀) + (J„ - J^) gebildet worden.

Bei Dockung von Referenzmarke und zugehörigem Abtastfeld wird in bekannter Weise ein Referenzimpuls hervorgerufen. Bei phasenrichtiger Anordnung von Referenzmarken und Abtastfeldern muß im Augenblick der exakten Deckung der Markierungen und der Abtastfelder jede der beiden Referenzmarken R-j. und R ein Referenzsignal hervorrufen. Diese Signale werden, wie bereits beschrieben, analog addiert. Es erscheint also nur ein Referenzsignal mit hohem Pegel. Durch die eindeutige

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Lagezuordnung der Referenzmarke R_T und Ablesefeld AR_T zu der Verengung G und deren Ablesefeld AG_T und durch die Lagezuordnung der Referenz R__T und Verengung G_T sowie deren Ablesefeldern AR_T_ und AG_TT ist sichergestellt, daß nur das zur jeweiligen Referenzmarke gehörige Abtastfeld ein Referenzsignal mit ausreichend großem Nutz-/Störsignalverhältnis hervorbringen kann. Werden die Abtastfelder an der jeweils nicht zugehörigen Referenzmarke vorbeibewegt, kann kein zur Auswertung geeignetes Referenzsignal hervorgerufen werden.

Obwohl an verschiedenen Stellen des Maßstabes M Referenzmarken R_T und R_TT angeordnet sind, wird beim Überfahren dieser Marken nur an einer bestimmten Stelle des Maßstabes M ein Referenzsignal hervorgerufen. Damit ist der Bezug zur Referenzmarke immer eindeutig. Bei Ausfall einer Beleuchtung L₁ oder L_ wird weiterhin an der bestimmten Stelle des Maßstabes M ein Referenzsignal hervorgerufen werden. Die zur ausgefallenen Lampe L₁ oder L₂ gehörige Referenzmarke R_T oder R-„ kann kein Referenzsignal mehr liefern. Im ungünstigsten Fall wird der Signalpegel des verbleibenden Referenzsignales geringer. Durch richtiges Einstellen der Triggerschwelle kann dieser Nachteil belanglos werden.

Bei Ausfall einer Beleuchtung reduziert sich die Signalhöhe; da die analoge Addition eines Signals entfällt und nur eine Abtaststelle I oder II in Betrieb ist. Eine Erhöhung des Signalpegels kann durch eine Schaltungsmaßnahme für den gemeinsamen Betrieb der Lampen L. und L„ kompensiert werden.

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Mit Hilfe eines gemeinsamen Vorwiderstandes R werden die Lampen L₁ und L„ mit einer reduzierten Spannung betrieben, was eine geringere Helligkeit und damit einen geringeren Fotostrom am Ausgang der lichtempfindlichen Elemente P zur Folge hat. Durch die analoge Addition der Abtastsignale wird jedoch ein Signalpegel erzielt, der höher ist, als der der reduzierten Einzelsignale. Auf den höheren - aus den addierten Signalen gewonnenen - Signalpegel wird die Triggerschwelle im Auswertebaustein B eingestellt. Bei Ausfall einer Lampe L₁ oder L₀ reduziert sich der Spannungsabfall am Vorwiderstand R und die noch betriebsfähige Lampe L₁ oder L„ wird mit der sich ergebenden höheren Spannung betrieben. Dadurch erhöht sich die Beleuchtungsstärke am lichtempfindlichen Element P, was eine direkte Erhöhung des Signalpegels an dessen Ausgang zur Folge hat. Die einschlägigen Kennlinien zeigen, daß die mit höherer Betriebsspannung betriebene verbleibende Lampe ein etwa gleich großes Abtastsignal liefert, wie das aus Addition gewonnene Abtastsignal- Die Triggerschwolle muß dabei nicht verändert werden. Die Dimensionierung der dabei zusammenwirkenden Elemente liegt im Können eines Durchschnittsfachmanns, so daß darauf nicht näher eingegangen werden muß.

Auch bei einer Winkelmeßeinrichtung erhöht sich wie vorbeschrieben durch die erfindungsgemäße Mehrfachabtastung in der vorher beschriebenen Weise die Genauigkeit. Darüber hinaus wird durch eine "Durchmesserablesung" der Exzentri-

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zitätsfehler der Teilung eliminiert. Eine DurcTimesserablesung für optische Winkelmeßeinrichtungen ist in der DE-PS Zk 5k 915 bereits beschrieben.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Auswerteschaltung so ausgestalten, daß bei Ausfall einer Lampe eine Signaleinrichtung diesen Fehler meldet.

Selbstverständlich lassen sich die Referenzmarken auch auf weiteren parallelen oder konzentrischen Teilungsspuren anordnen und abtasten, wenn die Verwendung der Meßeinrichtung dies erfordert.

Die Erfindung ist auch nicht auf lichtelektrische 15; inkrementale Positioniereinrichtungen, die im Durchlichtverfahren arbeiten beschränkt, sondern läßt sich sinngemäß auch bei Einrichtungen verwirklichen, die im Auflichtverfahren arbeiten.

Zusammenfassung:

Lichtelektrische inkrementale Positioniereinrichtung

Bei dieser lichtelektrischen inkrementalen Positioniereinrichtung sind gemäß Figur 2 zur Bestimmung einer Bezugslage zwei räumlich versetzte Referenzmarken (R_T, ^tt) ^an der Maßverkörperung (Μ) vorgesehen, die durch eine Abtastplatte (a) mit zwei in gleicher Weise versetzten Ablesestellen (I und II) zusammen mit der Teilung (T) abgetastet werden. Mit Hilfe einer besonders ausgestalteten Gegentaktspur (G) wird gewähr leistet, daß immer nur beide Referenzmarken (R_t, R-r-r) zusammen an einer bestimmten Bezugslage ausgewertet werden können, bzw. daß bei Ausfall der Beleuchtung (L. oder L₀) einer Ablesestelle (I oder II) mit Sicherheit nur die zur in Betrieb befindlichen Ablesestelle (i oder II) gehörige Referenzmarke (R- oder R₁-) zur Auswertung gelangen kann.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 7. April 1936 G 31 03 741.4 Neue Ansprüche

1. Lichtelektrische inkrementale Meßeinrichtung zur Messung der Position zweier relativ zueinander beweglicher Objekte mit einer wenigstens eine inkrementale Meßteilung und mehrere räumlich zueinander versetzte Referenzmarken zur Ableitung

eines Referenzimpulses aufweisenden Maßverkörperung, wenigstens zwei Beleuchtungen und einer Abtastplatte mit mehreren Ablesefeldern zum berührungslosen Abtasten der Maßverkörperung, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Maßverkörperung (M bzw. M ) den einzelnen, räumlich zueinander versetzten Referenzmarken (R_T, R__T bzw. R _, R __) auf einer zu-I Ii wl wll

sätzlichen Gegentaktspur (G, G ) befindliche Markierungen (G_, G bzw. G , G) in Form von Verengungen, Schraffüren oder dgl. zugeordnet sind, daß auf der Abtastplatte (A bzw. A ) die räumliche Zuordnung der Ablesefelder (AT_, AR_, AG₁ und AT₁₁, AR₁₃., AG₁₁ bzw. AT^, AR^, AG_wI und AT_WII, AR_wII, AG_wII)für die Meßteilung (T bzw. T), die Referenzmarken (R_x, R__ bzw. R _T, R __) w ι 11 wi wii

und die Gegentaktspur (G, G) der gegenseitigen räumlichen Zuordnung der Referenzmarken (R_T, R_TT bzw. Rj/ R J₁) und ihrer zugehörigen Markierungen (G₁, G₁₁ bzw. G_wI, G_wII) entspricht. 25

2. Lichtelektrische inkrementale Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Meßteilung (T ) einer Winkelmeßeinrichtung die Referenzmarken (R _T und R ) und deren Markierun-

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gen (G _ und G ) sowie auf der Abtastplatte (A ) die zugehörigen Ablesefelder (AR_WI# ^AG _WI und AR ,._, AG __) diametral angeordnet sind.

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