DE8320626U1 - Inkrementale Meßeinrichtung - Google Patents
Inkrementale MeßeinrichtungInfo
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Description
— 1 —
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH ' 1. Juli I983
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH ' 1. Juli I983
Meßeinrichtung t
Die Erfindung betrifft eine ^inkrementale Meßeinrichtungy'gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer derartigen Meßeinrichtung können die durch die Referenzmarken erzeugten elektrischen Steuerimpulse
auf verschiedene Weise verwertet werden, z.B. zum Reproduzieren der Nullposition im Zähler,
zum Anfahren einer bestimmten Position zu Beginn der Messung und zur Meßwertüberwachung vor Störimpulsen
sowie zur Beaufschlagung einer nachgeschalteten Steuereinrichtung.
Bei Codemeßeinrichtungen, also Meßeinrichtungen ohne
Referenzmarken, die mehrere Teilungsspuren mit unterschiedlichen
Gitterkonstanten aufweisen, ist es bekannt, verschieden große Abstände zwischen den Teilungsspuren
und den zugehörigen Abtastfeldern vorzusehen, wobei die Abstände aus den Gitterkonstanten der
Teilungsspuren und aus der Wellenlänge des Lichts der
Beleuchtungseinrichtung bestimmen (DE-OS I5 k8 874).
In der DE-PS 29 52 106 ist eine inkrementale Längenoder
Winkelmeßeinrichtung beschrieben, bei der auf einem Maßstab neben der Teilung Referenzmarken mit
jeweils unterschiedlichen Strichgruppenverteilungen vorgesehen sind. Die einzelnen Referenzmarken werden
von Abtastfeldern in einer Abtasteinheit abgetastet, wobei jedes Abtastfeld einer Referenzmarke eindeutig
zugeordnet ist, indem es die gleiche Strichgruppenverteilung aufweist. Zur eindeutigen Abtastung
dieser Referenzmarken darf wegen der unregelmäßigen Strichgruppenverteilungen der Abstand zwischen dem
Maßstab und der Abtastplatte höchstens etwa kd
betragen, wobei d die Breite des schmälsten Striches der Strichteilung der Rei'erenzmarken und &Lgr; die Schwerpunktwellenlänge
des Lichts bedeuten.
Veiter ist bekannt, daß zum Abtasten einer regelmäßigen
periodischen inkrementalen Teilung eines Maßstabs nicht nur ein einziger bestimmter Abstand
zwischen den Maßstab und der Abtastplatte eingehalten werden muß, sondern daß verschieden große Abstände
möglich sind. Wird die Teilung eines Maßstabs von Licht mit parallelem Strahlengang durchsetzt, so
entstehen in bestimmten Ebenen hinter der Teilungsebene des Maßstabs durch Interferenzen der an der
Teilung des Maßstabs gebeugten Lichtstrahlen Beugungs· bilder der Teilung des Maßstabs, die mit Abtastteilungen
gleicher Gitterkonstante abgetastet werden können. Diese Ebenen haben bei einer Gitterkonstanten
Px. der Teilung des Maßstabs und einer Schwerpunkt-
Wellenlänge \ des Lichts Abstände &eegr; · pM /J^
(n= 0,1,2,...) von der Teilungsebene des Maßstabs. Optimale elektrische Abtastsignale können daher
bei Abständen &eegr; · pM /j\, der Teilungsebene der
Abtastplatte von der Teilungsebene des Maßstabs erzeugt werden (Machine Shop Magazine, April 19-62,
Seite 208). Das Vorsehen größerer Abstände zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte besitzt den Vorteil,
daß die Meßeinrichtung unempfindlicher gegen mechanische Einflüsse wie z. B. Bearbeitungsspäne
ist, die sich bei kleinen Abständen leichter zwischen
■
■■
dem Maßstab und der Abtastplatte einklemmen und zu
Beschädigungen der Teilungen des Maßstabs und der Abtastplatte führen können; des weiteren läßt sich
der Maßstab und die Abtastplatte bei Verschmutzungen leichter reinigen. Ein weiterer Vorteil größerer
Abstände ist darin zu sehen, daß die Abstandstoleranzen bei diesen größeren Abständen oft
größer sind, so daß an die Führungsgenauigkeit der Abtastplatte bezüglich des Maßstabs geringere An-
\i;
forderungen gestellt werden müssen. Ferner besitzen
&Iacgr; bei größeren Abständen auch die bei der Abtastung'
i;f der inkremental en Teilung des Maßstabs erzeugten
;:; 15 Signalform, so daß sich die Signalperiode der Ab-
tastsignale zur Interpolation besser unterteilen
■ läßt.
■!.
Die Ausnutzung sehr großer Abstände zwischen Maßstab
und Abtastplatte bei der Abtastung der inkremental en Teilung ist ohne zwischengeschaltete Abbildungsoptik nur bei Meßeinrichtungen möglich, deren
Maßstab keine Referenzmarken aufweist, da zur eindeutigen Abtastung der Referenzmarken, wie oben dar-
%
25 gelegt, ein bestimmter geringer Abstand zwischen dem
}
Maßstab und der Abtastplatte nicht überschritten werden
darf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung mit auf einem Maßstab vorgesehenen
Referenzmarken eine eindeutige Abtastung der Referenzmarken und eine optimale Abtastung der Teilung
des Maßstabs zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einer Meßeinrichtung
der oben erwähnten Gattung mit einfachen Mitteln die jeweils benötigten günstigsten Abstände zur '
sicheren Abtastung der inkrementalen Teilung und [
der Referenzmarken des Maßstabs gewählt werden '
können, so daß die Meßgenauigkeit und der Unter- :;
teilungsgrad bei einer Interpolation der Meßwerte sich erhöhen. Durch das Vorsehen größerer Abstände
zwischen der Teilung des Maßstabs und den zugehörigen Abtastfeldern der Abtastplatte können an
die Führungsgenauigkeit der Abtastplatte bezüglich des Maßstabs geringere Anforderungen gestellt werden,
da bei diesen größeren Abständen oft auch die Abstandstoleranzen zunehmen. Es brauchen somit bei
einer derartigen Meßeinrichtung, bei der ein bestimmter geringer Abstand zwischen den Referenzmarken
und den zugehörigen Abtastfeldern nicht überschritten werden darf, keine hochgenauen Führungen
vorgesehen sein, womit sich eine einfach aufgebaute und preisgünstige Meßeinrichtung ergibt. Die vorgeschlagenen
einfachen Maßnahmen haben keine Änderungen der Außenabmessungen zur Folge, so daß die Flexibilität
des Einsatzes der Meßeinrichtung an Maschinen erhalten bleibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 schematisch eine inkrementale >
Meßeinrichtung, 5
Figur 2 einen Maßstab mit Referenzmarken,
Figur 3 eine Abtastplatte mit Abtastfeldern,
10
10
Figur k eine graphische Darstellung der Amplituden der Lichtmodulation
und
Figur 5 verschiedene Ausführungsformen
von Maßstab und Abtastplatte*
In Figur 1 ist schematisch eine lichtelektrische \ inkremental&bgr; Längenmeßeinrichtung gezeigt, die aus
einem Maßstab M und aus einer Abtasteinheit A besteht, die Jeweils in nicht dargestellter Weise
mit zu messenden Objekten, beispielsweise mit Maschinenteilen einer Bearbeitungsmaschine verbunden
sind. Auf dem Maßstab M ist eine inkrementale Teilung T in Form eines Strichgitters (Figur 2)
aufgebracht, die im Auf licht be.rührungsfrei photoelektrisch von der Abtasteinheit A abgetastet wird.
Neben der Teilung T sind zwei Referenzmarken R , R„
angeordnet, die der Teilung T absolut zugeordnet sind und Jeweils aus einer Gruppe von Strichen mit
einer unregelmäßigen Strichverteilung bestehen; die Strichgruppenverteilungen der beiden Referenzmarken
R1, R,, müssen einander möglichst unähnlich sein·
• ·
Die durch die Abtastung der Teilung T mittels der in Meßrichtung X verschiebbaren Abtasteinheit A erzeugten
periodischen Abtastsignale S.t S«» die in
der Abtasteinheit A verstärkt und in Rechtecksignale S1·, S2' umgeformt werden, steuern einen elektronischen
Zähler Z, der die Meßwerte in digitaler Form anzeigt. Die um ein Viertel der Gitterkonstanten pM
(Teilungsperiode) der Teilung T zueinander verschobenen Rechtecksignale S ', S · dienen der Diskriminierung
der Abtastrichtung. Die an den Referenzmarken R1, R_ erzeugten Referenzsignale RS1, RS«
werden ebenfalls in der Abtasteinheit A verstärkt, in Rechtecksignale RS1 1, RS2' umgeformt und ebenfalls
dem Zähler Z zugeführt.
Mit den gewonnenen Referenzsignalen RS1 t RS2 können
verschiedene Funktionen ausgelöst werden. Durch Auswertung der Referenzsignale RS1, RS2 wird beispielsweise
aus einer inkrementalen Meßeinrichtung eine quasi absolute Meßeinrichtung, wenn jeder Referenzmarke
R1, R2 eine Zahl zugeordnet wird, die
deren absolute Position, bezogen auf einen unveränderlichen Nullpunkt, darstellt. Ferner kann eine
bestimmte Referenzmarke R1, R2 dazu dienen, den
Zähler Z beim Auftreten des aus der bestimmten Referenzmarke R1, R2 gewonnenen Referenzsignals RS1, RS2
auf den Wert "Null" zu setzen.
Zur Abtastung des Maßstabs M ist in der Abtasteinheit A eine Abtastplatte AP nach Figur 3 vorgesehen,
die zur Abtastung der Teilung T zwei um ein Viertel der Gitterkonstanten pM der Teilung T zueinander
versetzte Abtastfelder AT1, AT2 aufweist, die
mit der Teilung T identisch sind; den Abtastfeldern
-7 -
Z AT,, AT0 sind nicht gezeigte Phot&ogr;elemente zur &Egr;&tgr;
&igr; d.
zeugung der Abtastsignale S1, S2 zugeordnet. Zur
Abtastung der Referenzmarken R1, R2 sind auf der
Abtastplatte AP Abtastfelder AR1, AR2 vorgesehen».
die Strichgruppenverteilungen der einzelnen Abtastfelder AR , AR2 sind mit den Strichgruppenverteilungen
der zugehörigen Referenzmarken R1, R2 identisch,
so daß bei Deckung von Referenzmarke R1, R2
und zugehörigem Abtastfeld AR , AR3 die Rtferenzsignale
RS1, RS2 hervorgerufen werden. Durch die
Identität der Strichverteilungen von Referenzmarke
R und Abtastfeld AR bzw. der Strichverteilungen von Referenzmarke R2 und Abtastfeld AR2 ist sichergestellt,
daß nur das zur jeweiligen Referc-nsmarke
R , R2 zugehörige Abtastfeld AR1, AR3 ein Referenzsignal
RS1, RS3 mit ausreichend großen Nutz-/Störsignalverhältnis
hervorbringen kann. Wird beispielsweise das Abtastfeld AR1 an der nichtzugehörigen
Referenzmarke R2 vorbeibewegt, kann kein Reforenz,-signal
hervorgerufen werden.
Wird die periodische inkrementale Teilung T des Maßstabs
M von parallelem Licht durchsetzt, so entstehen in bestimmten Ebenen hinter der Ebene der Teilung T
des Maßstabs M durch Interferenzen der an der Teilung T
ans Maßstabs M gebeugten Lichtstrahlen Beugungsbilder
der Teilung T des Maßstabs M. Diese Ebenen haben bei der Gitterkonstanten ^M der Teilung T des Maßstabs M
und einer Schwerpunktwellenlänga 71 des Lichte Abstände
&eegr; · PM 2/7l (n = 0,1,2,...) von der Ebene der Teilung T
des Maßstabs M. In Figur k sind die Amplituden I der bei einer Relativbewegung zwischen zwei Teilungen
gleicher Gitterkonstante auftretenden Lichtmodulation
in Abhängigkeit vom gegenseitigen Abstand a dargestellt.
2 &igr; &lgr;
daher nur beim Abstand &eegr; · p., / &Lgr; der Ebene der Ab- j·
M w
tastfelder AT1, AT- der Abtastplatte AP von der , I
3 Ebene der Teilung T dee Maßstabe M erzeugt. }
Zur eindeutigen Abtastung der Referenzmarken R1, R2
auf dem Maßstab M darf wegen ihrer unregelmäßigen Strichgruppenverteilungen der Abstand zwischen den
Referenzmarken R1, R2 und den zugehörigen Abtast
feldern AR1, AR9 auf der Abtastplatte AP in Licht-
Strahlenrichtung höchstens etwa 4d /&Lgr; betragen, wobei d die Breite des schmälsten Striches der Strichteilungen der Referenzmarke» R., R2 bedeutet. Dagegen
muß zur optimalen Abtastung der Teilung T des Maßstabs M der Abstand zwischen der Teilung T und den zugehörigen Abtastfeldern AT1, AT_ auf der Abtastplatte
AP in Lichtstrahlenrichtung etwa &eegr; · PM / Tl (n=1,2,3···)
betragen.
optische Veglänge der Lichtstrahlen zwischen der
Teilung T des Maßstabs M und den zugehörigen Abtastfeldern AT1, AT2 der Abtastplatte AP und die optische Veglänge der Lichtstrahlen zwischen den Referenzmarken R1, R2 des Maßstabs M und den zugehörigen
Abtastfeldern AR1, AR3 der Abtastplatte AP einen
zwischen dem gewählten Abstand &eegr; · p„ / % und dem
2
Abstand kä. / T\ ist.
gemäß Figur 5a die Abtastfelder AT', AT3 1 und die
Abtastfelder AR1 1, AR3 1 der Abtastplatte AP' in
Lichtstrahlenrichtung um die Strecke 1' parallel zueinander versetzt, während die Teilung T' und die
— Q —
Referenzmarken RJ, R · des Maßstabs M1 in einer
Ebene liegen; c1 bedeutet der Brechungsindex des
von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums. Zur
Erzielung des gleichen Gangunterschieds h &bgr; c" · jl,·
sind nach Figur 5b die Teilung T* und die Referenssmarken R1S R«' des MaßstaDS M' ln Lichtstrahlenrichtung um die Strecke 1· parallel zueinander
versetzt, während die Abtastfelder AT', AT3 1 und
die Abtastfelder AR1 1, AR,,' der Abtastplatte AP'
in einer Ebene liegen.
Nach Figur 5c liegen zur Erzielung des Gangunterschieds h = c" · 1" die Abtastfelder AT1", AT2"
und die Abtastfelder AR1", AR3 1 · der Abtastplatte
vor den Abtastfeldern AT1 1', AT9 11 eine transparente
Schicht U" mit einer Schichtdicke 1" in Lichtstrahlenrichtung und einem Brechungsindex c" angeordnet.
Gemäß Figur 5d weist zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c11' · 1·" die transparente Abtastplatte AP"' eine Schichtdicke 1·" in Lichtstrahlenrichtung und einen Brechungsindex c"· auf. Die Ab-
tastfelder AR1"1, AR3 1" sind auf der dem Maßstab M'"
zugewandten Oberfläche der Abtastplatte AP1'' und
die Abtastfelder AT1"-, AT2'" auf der dem Maßstab
M'" abgewandten Oberfläche der Abtastplatte AP1"
angeordnet.
Zur Erzielung· des Gangunterschiedes h = c"" · 1«···
liegen nach Figur 5e die Abtastfelder AT1 " " ,
AT2"" und die Abtastfelder AR1"", AR2"" der
Abtastplatte AP* *'' in einer Ebene und sind gegen
die Ebene der Teilung TIMI und der Referenzmarken
richtung X verlaufende Drehachse so geneigt, daß^
der Mittelpunkt M1"" der Abtastfelder AT1 "··,.
AT2 1 '"in Lichtstrahlenrichtung um die Strecke 1" "
gegen den Mittelpunkt M2*' " der Abtastfelder
AR1"", AR2"" versetzt ist, wobei c"" der
Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.
und die Referenzmarken
5 des Maßstabs M5 von den zugehörigen Abtast
gen, daß jeweils die Teilung T 5
1 - c e c /. AT0 3 und AR,J
feldern AT,
der Abtastplatte
C I fc I fm _
5 5 und daß zur Abtastung der Referexzmarken R/, R„
eine auf diesen Abstand abgestimmte Abbildungsoptik O vorgesehen ist.
Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil auch bei anderen Meßverfahren einsetzen, bei denen die
Teilungen des Maßstabs und der Abtastfelder der Abtastplatte nicht identisch sind, beispielsweise bei
einem Dreigitter-Meßverfahren, bei dem die Teilung des Abtastfeldes doppelt so groß wie die Teilung des
Maßstabs ist. Bei derartigen Dreigittermeßverfahren (DE-OS 25 11 35&Ogr;) mit nichtparallelem Strahlengang
lassen sich sehr große Abstände mit relativ großen Abstandstoleranzen erzielen.
Claims (3)
1. Xnkrementale Meßeinrichtung' zur Messung der Relativlage
zweier Objekte mit entlang der Teilung eines Maßstabs in Meßrichtung vorgesehenen Referenzmarken,
die der Teilung absolut zugeordnet sind und an denen im Zusammenwirken mit einer
Abtasteinheit reproduzierbare elektrische Impulse erzeugt werden, die einen Zähler der
Meßeinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung beaufschlagen, und mit wenigstens einer Abtastplatte
in der Abtasteinheit zur Abtastung der Teilung des Maßstabs und der Referenzmarken,
wobei der Maßstab und die Abtastplatte in «9inei-, bestimmten Abstand in Lichtstrahlenrichtung
voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen der Teilung (T) des Maßstabs (M) und den \
zugehörigen Abtastfeldern (AT , AT3) der Abtastplatte
(AP) und die optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen den Referenzmarken
(R1, R„) des Maßstabs (m) und den zugehörigen
Abtastfeldern (AR1, AR„) der Abtastplatte (AP)
einen Gangunterschied h aufweisen.
2. Inkreraentale Meßeinrichtung zur Messung der Relativlage
zweier Objekte mit entlang der Teilung eines Maßstabs in Meßrichtung vorgesehenen Referenzmarken,
die der Teilung absolut zugeordnet sind und an denen im Zusammenwirken mit einer
Abtasteinheit reproduzierbare elektrische Impulse erzeugt werden, die einen Zähler der
Meßeinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung
beaufschlagen, und mit wenigstens einer Abtastplatte in der Abtasteinheit zur Abtastung
der Teilung des Maßstabs und der Referenzmarken, wobei der Maßstab und die Abtastplatte'
in einem bestimmten Abstand in Lichtstrahlenrichtung
voneinander relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Teilung (T ) und die Referenzmarken
(R- , Ro ) des Maßstabs (&Mgr;5) von den zugehörigen
Abtastfeldern (AT1 5, AT2 bzw. AR5,
AR2 5) der Abtastplatte (AP5) den gleichen Abstand
aufweisen und daß zur Abtastung der Referenzmarken (R. , R_ ) eine auf diesen
Abstand abgestimmte Abbildungsoptik (C) vorgesehen ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzielung des Gangunterschiedes h = cf · 1' die Abtastfelder (AT1 1,
AT2 1) und die Abtastfelder (AR1', AR2 1) der1.
Abtastplatte (AP·) oder die Teilung (&tgr;·) und die Referenzmarken (R1*, R2') des Maßstabe (M1)
um den Betrag 1' in Lichtstrahlenrichtung parallel zueinander versetzt sind, wobei c'
der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.
k. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c1' · I11 auf einem der in einer
Ebene liegenden Abtastfelder (AT ··, AT3··)
und Abtastfelder (AR1'·, AR3 1») der Abtastplatte
(AP11) eine transparent© Schicht (U'')
mit einer Schichtdicke (l11) in Lichtstrahlenrichtung
und mit einem Brechungsindex (c1·)
angeordnet ist.
5· Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunterschiedes h = c11· · I111 die transparente Abtastplatte (AP···) eine Schichtdicke (lIM) in
Lichtstrahlenrichtung und einen Brechungsindex
(c·") aufweist und daß die Abtastfelder (AR1'",
AR_·'·) auf der dem Maßstab (M*1') zugewandten
Oberfläche der Abtastplatte (AP"*) und die Abtastfelder (AT1"·, AT2···) auf der dem Maßstab (M1'1) abgewandten Oberfläche der Abtast
platte (AP'1') angeordnet sind.
6«, Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Gangunter-
schiedes h = c"" · &igr; · &ogr; " die in einer Ebene
liegenden Abtastfelder (AT1"", AT2"") und
Abtastfelder (AR1"", AR2"") der Alatastplatte
(AP"") gegen die Ebene der Teilung (T"") und der Referenzmarken (R1 "", R2"") des
Maßstabs (M"") so geneigt sind, daß der
Mittelpunkt (M1 "") der Abtastfelder (AT1 " " ,
AT2'· " ) in Lichtstrahlenrichtung um den Betrag 1"" gegen den Mittelpunkt (M2"") der
Abtastfelder (AR1"", AR3 1"1) versetzt ist,
wobei c"" der Brechungsindex des von den Lichtstrahlen durchsetzten Mediums ist.
7« Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der Abtastfelder (AT1',
AT2*) und der Abtastf>eld«r (AR! '» AR2*) der
Abtastplatte (AP') oder die Ebenen der Teilung (T1) und der Referenzmarken (R1', R2') durch
Ätzen parallel zueinander versetzt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19838320626 DE8320626U1 (de) | 1983-07-16 | 1983-07-16 | Inkrementale Meßeinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE19838320626 DE8320626U1 (de) | 1983-07-16 | 1983-07-16 | Inkrementale Meßeinrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE8320626U1 true DE8320626U1 (de) | 1987-08-20 |
Family
ID=6755266
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19838320626 Expired DE8320626U1 (de) | 1983-07-16 | 1983-07-16 | Inkrementale Meßeinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE8320626U1 (de) |
-
1983
- 1983-07-16 DE DE19838320626 patent/DE8320626U1/de not_active Expired
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