DE8327325U1

DE8327325U1 - Meßeinrichtung

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Publication number: DE8327325U1
Application number: DE19838327325
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1983-09-23
Filing date: 1983-09-23
Publication date: 1985-08-29

Description

- 3 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 14. September 1983

Meßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen Meßeinrichtung können die durph die Referenzmarken erzeugten elektrischen Steuerimpulse auf verschiedene Weise verwertet werden, z.B. zum Reproduzieren der Nullpoeition im Zähler, zum Anfahren einer bestimmten Position zu Beginn der Messung und zur Meßwertüberwachung vor Störimpulsen sowie zur Beaufschlagung einer nachgeschalteten Steuereinrichtung.

In der DE-PS 29 52 106 ist eine inkrementale Längen- oder Winkelmeßeinrichtung beschrieben, bei der auf einem Maßstab neben der Teilung Referenzmarken mit jeweils unterschiedlichen Strichgruppenverteilungen vorgesehen sind. Die einzelnen Referenzmarken werden von Abtastfeldern auf einer Abtastplatte 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 Abtast- ' platte höchstens etwa 2d /% betragen, wobei d die Breite des schmälsten Striches der Strichteilung der Referenzmarken und Λ die Schwerpunktwellenlänge des Lichts bedeuten.

Weiter ist bekannt, daß zum Abtasten einer regelmäßigen periodischen inkrementalen Teilung eines Maßstabs nicht nur ein einsiger bestimmter Abstand zwischen dem 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 Beugungsbilder der Teilung des Maßstabs, * die mit Abtastteilungen gleicher Gitterkonstante abgetastet werden können. Diese Ebenen haben bei einer Gitterkonstanten Pj_-1 der Teilung des Maßstabs und einer Schwerpunktwellenlänge \ des Lichts Abstände η · Pj₁ /A. (η = 0, 1, 2 ...) von der Teilungsebene des Maßstabs. Optimale elektrische

Abtastsignale können daher bei Abständen η > p» /\ der Teilungsebene der Abtastplatte von der Teilungsebene des Maßstabs erzeugt werden (Machine Shop Magazine, April 1962, Seite 208). Das Vorsehen größerer Abstände zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte besitzt den Vorteil, daß die Abstandstoleranzen bei diesen größeren Abständen

oft größer sind, so daß an die Führungsgenauigkeit der Abtastplatte bezüglich des Maßstabs geringere Anforderungen gestellt werden müssen. Ferner besitzen bei größeren Abständen auch die bei der t Abtastung der inkrementalen Teilung des Maßstabs ' erzeugten periodischen Abtastsignale eine sinusförmigere Signalform, so daß sich die Signalperiode der Abtastsignale zur Interpolation besser unterteilen läßt.

Die Ausnutzung sehr großer Abstände zwischen Maßstab und Abtastplatte bei der Abtastung der inkrementalen Teilung ist ohne zwischengeschaltete Abbildungsoptik nur bei Meßeinrichtungen möglich, deren Maßstab keine Eeferenzmarken aufweist, da zur eindeutigen Abtastung der Referenzmarken, wie oben dargelegt, ein bestimmter geringer Abstand zwischen dem Maßstab und dec Abtastplatte nicht überschritten werden darf.

I Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung mit auf einem Maßstab vorgesehenen Referenamarken eine eindeutige Abtastung der Referenzmarken und eine optimale Abtastung der Teilung des

2p Maßstabs zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einer Meßeinrichtung der oben erwähnten Gattung durch das Vorsehen eigener Abtastplatten für die Teilung und die Referenzmarken des Maßstabs mit separaten Führungen die

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jeweils benötigten günstigsten Abstände zur sicheren Abtastung der inkrementalen Teilung und der Referenzmarken des Maßstabs eingestellt werden könnea, so daß die Meßgenauigkeit und der , 5 Unterteilungsgrad bei einer Interpolation der Meß—

·>; werte 3ich erhöhen. Durch das Vorsehen größerer

Abstände zwischen der Teilung des Maßstabs und den zugehörigen Abtastfeldern der ersten Abtastplatte können an die Führungsgenauigkeit dieser Abtastplatte bezüglich des Maßstabs geringere ι, 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 zugei, hörigen Abtastfeldern nicht überschritten werden

^: darf, keine hochgenauen Führungen für die erste

Abtastplatte zur Abtastung der Teilung des Maßstabs vorgesehen sein. Da die erste Abtastplatte nicht 20 an der Hilfsführung für die zweite Abtastplatte ge-t

führt ist, entstehen keine Meßfehler durch Umkehrspannen, die bei einer reibungsbehafteten Führung an der Hilfsführung zwangsläufig auftreten. Die vorgeschlagenen einfachen Maßnahmen haben keine

t 25 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.

- 7 Es zeigen

Figur 1 schematisch eine inkrementale Meßeinrichtung, , Figur 2 einen Maßstat mit Ref erenzmarken,

Figur 3 zwei Abtastplatten mit Abtast-

ftldern,
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Figur 4- eine graphische Darstellung der Amplituden der Lichtmodulation,

Figur 5 eine gekapselte inkrementale Meßeinrichtung im Querschnitt und

Figur 6 eine schematische Anordnung von Maßstab und Abtastplatten im Querschnitt.

j In Figur 1 ist schematisch eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßeinrichtung gezeigt, die aus einem Maßstab M und aus einer Abtasteinheit A besteht, die jeweils mit zu messenden Objekten O^, Ο2 in Form von Maschinenteilen einer Bearbeitungsmaschine verbunden sind (Figur 5)· Auf dem Maßstab M ist eine inkrementale Teilung T in Form eines Strichgitters (Figur 2) aufgebracht, die im Auflicht photoelektrisch von der Abtasteinheit A abgetastet wird.

Neben der Teilung T sind zwei Referenzmarken R^,, Rp angeordnet, die der Teilung T absolut zugeordnet sind und jeweils aus einer Gruppe von Strichen mit einer unregelmäßigen Strichverteilung bestehen; die Strichgruppenverteilungen der beiden Referenz-

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marken R^., Eg müssen einander möglichst unähnlich sein.

Die durch die Abtastung der Teilung T mittels der in Meßrichtung X verschiebbaren Abtast einheit A er<-zeugten periodischen Abtastsignale S,,, Sp, die in der Abtasteinheit A verstärkt und in Rechtecksignale S^¹, So' umgeformt werden, steuern einen elektronischen Zähler Z, der die Meßwerte in digitaler Form anzeigt. Die um ein Viertel der Gitterkonstanten p„ (Teilungsperiode) der Teilung T zueinander verschobenen Rechtecksignale S,.' , Sp' dienen der Diskriminierung der Abtastrichtung. Die an den Referenzmarken R,,, Rp erzeugten Referenzsignale RS,,, RSo werden ebenfalls in der Abtasteinheit A verstärkt, in Rechtecksignale RS^¹, RS£' umgeformt und ebenfalls dem Zähler Z zugeführt.

Mit den gewonnenen Referenzsignalen RS,,, RSp können verschiedene Funktionen ausgelöst werden. Durch Auswertung der Referenzsignale RS^, RSg wird bei- I spielsweise aus einer inkrementalen Meßeinrichtung eine quasi absolute Meßeinrichtung, wenn jeder Referenzmarke R^, Ro eine Zahl zugeordnet wird, die deren absolute Position, bezogen auf einen unveränderlichen Nullpunkt, darstellt. Ferner kann eine bestimmte Referenzmarke R,,, Rp dazu dienen, den Zähler Z beim Auftreten des aus der bestimmten Referenzmarke R^, Rp gewonnenen Referenzsignals RS^, RSp auf den Wert "Null" zu setzen.

Zur Abtastung der Teilung T des Maßstabs M ist in der Abtasteinheit A eine erste Abtastplatte AP,. nach Figur 3 vorgesehen, die zwei um ein Viertel der Gitterkonstanten p_M der Teilung T zueinander ver-

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setzte Abtastfelder AT,., ATg aufweist, die mit der Teilung T identisch sind; den Abtastfeldern AT-, ATp sind nicht gezeigte Photoelemente in der Abtasteinheit A zur Erzeugung der Abtastsignale S^., Sp zugeordnet. Zur Abtastung der Referenzmarken R-, Rg ist in der Abtasteinheit A eine zweite Abtast platte APp mit Abtastfelder AR., ARp vorgesehen; die Strichgruppenverteilungen der einzelnen Abtastfelder AR^, ARp sind mit den Strichgruppenverteilungen der zugehörigen Referenzmarken R^., Rp identisch, so daß bei Deckung von Referenzm&rke R^, Rg und zugehörigem Abtastfeld AR^, ARg die Referenzsignale RSz₁, RSg hervorgerufen werden. Durch die Identität der Strichverteilungen von Referenzmarke Rx] und A.btastfeld AR^ bzw. der Strichverteilungen von Referenzmarke Rg und Abtastfeld ARp ist sichergestellt, daß nur das zur- jeweiligen Referenzmarke R^, Rg zugehörige Abtastfeld AR,., ARg ein Referenzsignal RS^ , RSg mit ausreichend großen Nutz-/Si"ör-Signalverhältnis hervorbringen kann. Wird beispielsweise das Abtastfeld AR^ an der nichtzugehörigen Referenzmarke Rp vorbeibewegt, kann kein Referenzsignal 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 des Maßstabs M gebeugten Lichtstrahlen Beugungsbilder der Teilung T des Maßstabs M. Diese Ebenen haben bei der Gitterkonstanten p™ der Teilung T des Maßstabs M und einer Schwerpunktwellenlänge 7\, des

Lichts Abstände η · p_M /Λ, (n = 0,1,2...) von der Ebene der Teilung T des Maßstabs M. In Figur 4 sind

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die Amplituden I der bei einer Relativbewegung zwischen zwei Teilungen gleicher Gitberkonstante auftretenden Lichtmodulation in Abhängigkeit vom gegenseitigen Abstand a dargestellt. Optimale elektrische Abtastsignale S^, S₂ werden daher nur beim Abstand η · P_M /71 der Ebene der Abtastfelder ATy₁, ATp der ersten Abtastplatte AP^ von der Ebene der Teilung T des Maßstabs M erzeugt.

Zur eindeutigen Abtastung der Referenzmarken R₁, R₂ auf dem Maßstab M darf wegen ihrer unregelmäßigen Strichgruppenverteilungen der Abstand zwischen den Referenzmarken R^, R₂ und den zugehörigen Abtastfeldern AR,,, AR₀ auf der zweiten Abtastplatte AP₅ in Lichtstrahlenrichtung höchstens etwa 2d /Ti betragen, wobei d die Breite des schmälsten Striches der Strichteilungen der Referenzmarken R^, R₂ bedeutet. Dagegen muß zur optimalen Abtastung der Teilung T des Maßstabs M der Abstand zwischen der Teilung T und den zugehörigen Abtastfeldern AT^, AT₀ auf der ersten Abtastplatte AP,. in Lichtstrahlenrichtung etwa η · p_M /K (n = 1,2,3.--) betragen.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die erste Abtastplatte AP^ mit den Abtastfeldern AT^, ATp für die Teilung T des Maßstabs M fest in der Abtasteinheit A angeordnet ist, die ar einer Führung V der zu messenden Objekte O^, O^ verschiebbar ist, und daß die zweite Abtastplatte APp mit den Abtastfeldern AR^, ARp für die Referenzmarken R^, R₂ an einer von der Führung V der zu messenden Objekte 0^, O₂ unabhängigen Hilfsführung verschiebbar und mit der ersten Abtastplatte AP^ über eine in MeB-richtung X steife Kupplung K verbunden ist.

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In Figur 5 ist ein inkrementale gekapselte Meßeinrichtung im Querschnitt dargestellt, bei der ein Gehäuse 1 in Form eines Hohlprofils mittels einer Schraube 2 an dem einem zu messenden Objekt 0/, in Form eines Schiitbens einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine befestigt ist. Im Inneren des Gehäuses 1 ist mittels einer Klebeschicht 3 der |

Maßstab M befestigt, der von der Abtasteinheit A * abgetastet wird* An dem anderen zu messenden *

Objekt Op in Form eines Betts der Bearbeitungsmaschine ist ein Montagefuß 4 in beliebiger Weise befestigt, der über einen Mitnehmer 5 mit der Abtasteinheit A verbunden ist. Das Gehäuse 1 weist einen in Längserstreckung verlaufenden Schlitz 6 auf, der durch Dichtlippen 7 verschlossen ist, durch die der Mitnehmer 5 mit einem schwertförmigen Bereich 5¹ hindurchgreift. Die über den Mitnehmer 5 u.id den Montagefuß 4· starr mit dem zu messenden Objekt O₂ verbundene Abtasteinheit A ist an der Führung V der zu messenden Objekte 0,*, O₂ in Meßrichtung X verschiebbar.

In Figur 6 ist als Ausschnitt der Figur 5 der mittels der Klebeschicht 3 im Gehäuse 1 befestigte Maßstab M gezeigt, der von der Abtasteinheit A abgetastet wird. Die erste Abtastplatte AP^ mit den Abtastf eidern AT,-, ATp zur Abtastung dar Teilung T des Maßstabs M ist mittels eines Rahmens JJ^ fest in der Abtasteinhe.it A angeordnet, die gemäß Figur an der Führung V der zu messenden Objekte O^, O₂ in Meßrichtung X verschiebbar ist. Die zweite Abtastplatte APp mit den Abtastfeldern AR,), AR₂ zur Abtastung der Referenzmarken R^., R₂ ist in einem Rahmen U₂ angeordnet, der über eine sich quer zur Meßrichtung X erstreckende Blattfeder K mit der Abtasteinheit A oder dem Rahmen U^ der ersten Ab-

tastplatte AP^ verbunden ist; diese Blattfeder K stellt die in Meßrichtung X steife Kupplung zwischen der ersten Abtastplatte AP* und der zweiten Abtastplatte AP« dar* Am Rahmen U₀ der zweiten Abtastplatte AP₂ sind Rollen W angeordnet, die auf Führungsflächen F^, Fg des Maßstabs M geführt sind; diese Führungsflächen F_x., Fp auf dem Maßstab M stellen die von der Führung V der zu messenden Objekte (X₁, O₂ unabhängige Hilfsführung für die zweite Abtastplatte AP₂ dar. Diese Kupplung K in Form der Blattfeder dient gleichzeitig als Andruckelement für die zweite Abtastplatte APg an die Führungsfläche F^, F₂ des Maßstabs M, so daß stets ein bestimmter Abstand zwischen den Referenzmarken R>|, Bp iind den zugehörigen Abtastfeldern AR,., AR₂ gewährleistet ist. Die Führungsflächen für die zweite Abtastplatte APg können in nicht gezeigter Weise am Maßstab M und/oder am Gehäuse 1 für den Maßstab M vorgesehen sein. In der Abtasteinheit A sind zur photoelektrischen Abtastung des Maßstabs M in nicht dargestellter bekannter Weise eine Beleuchtungseinrichtung sowie den Abtastfeldern AT^, ATg, AR_x., ARg zugeordnete Photoelemente vorgesehen.

Die Erfindung erlaubt somit die Abtastung der Teilung T des Maßstabs M mit größeren Abständen und größeren Abstandstoleranzen für die erste Abtastplatte AP_x. und die Abtastung der Referenzmarken R^, R₂ mit geringerem Abstand und geringerer Abstandstoleranz für die zweite Abtastplatte AP₂ und läßt sich mit besonderem Vorteil auch bei anderen Meßverfahren einsetzen, bei denen die Teilungen des Maßstabs und der Abtastfelder der Ab-

tastplatte 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 Dreigittermeßverfahrea (DE-OS 25 11 350) mit nichtparallelem Strahlengang· lassen sich sehr große Abstände mit relativ großen Abstandstoleranzen erzielen.

Die Erfindung ist nicht auf lichtelektrische Meßeinrichtungen beschränkt, sondern auch bei magnetischen, induktiven oder kapazitiven Meßeinrichtungen mit Erfolg einsetzbar.

Claims

- 1 DR. JOHAUHES HEZDENHa-IN GMBH 14. September 1983 Ansprüche

1. Meßeinrichtung, insbesondere inkrementale 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 Abtastfeldern in der Abtasteinheit zur Abtastung der Teilung des Maßstabs und der Referenzmarken, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Aftastplatte (AP^) mit den Abtastfeldern (AT₁, AT₂) für die Teilung (T) des Maßstabs (M) fest in der Abtasteinheit (A) angeordnet ist, die an einer Führung (V) der zu messenden Objekte (0,-, Op) verschiebbar ist, und daß eine zweite Abtastplatte (AP₂) mit den Abtastfeldern (AR^, ARg) für die Referenzmarken (R^, Rg) an einer von der Führung (V) der zu messenden Objekte (Oy,, Op) unabhängigen Hilfsführung verschiebbar und mit der ersten Abtastplatte (AP_x.) über eine in Meßrichtung X steife Kupplung (K) verbunden ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Teilung (T) und den zugehörigen Abtastfeldern (AT,-, ATp) sich vom Abstand zwischen den Referenzmarken (R/,, und den zugehörigen Abtastfeldern (A¹R/,, ARp) unterscheidet.

3- Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kupplung (K) durch eine quer zur Meßrichtung X verlaufende Blattfeder gebildet ist.
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4·. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (K) gleichzeitig als Andruckelement für die /'.reite Abtastplattr (AP₂) an Führungsflächen (F^, j?p) der Hiifsführung dient.

5· Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (F^, Fp) der Hiifsführung vom Maßstab (M) und/oder von einem Träger (1) für den Maßstab (M) gebildet werden.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Abtastplatte (APo) über Rollen (V) an den Führungsflächen (F₇., Fp) der Hiifsführung abstützt.