DE8327327U1

DE8327327U1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE8327327U1
Application number: DE19838327327
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: 1986-05-22

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 24.1.1986

/ Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung /

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs

In der Zeitschrift "Messen und Prüfen/Automatik", Juni 1974 ist im Aufsatz "Neuere Entwicklungen bei photoelektrischen Längenmeßgeräten" auf Seite 373 eine Längenmeßeinrichtung (Bild 2) beschrieben, bei der die Teilung eines Maßstabs mittels Abtastfelder auf einer Abtastplatte in einer Abtasteinheit abgetastet wird. Die Abtastplatte (Bild 3) weist zwei Paare von Abtastfeldern für die Teilung, ein Abtastfeld für eine der Teilung zugeordnete Referenzmarke und ein Abtastfeld für einen Referenzmarkenbezug auf. Die Teilungen der Abtastfeider für die Teilung des Maßstabs sind mit dieser Teilung identisch und die Teilung des

Attastfeides für die Referenzmarke stimmt mit der unregelmäßigen Teilung dieser Eeferenzmarke überein; das Abtastfeld für den Referenzmarkenbezug weist keine Teilung auf.
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Diesen Abtastfeldern auf der Abtastplatte sind jeweils Photoelemente zugeordnet, die den jeweiligen bei einer Verschiebung der Abtastplatte relativ zum Maßstab an den zusammenwirkenden Teilungen modulierten Lichtstrom in elektrische Abtastsignale umwandeln (Bild 4). Die den beiden Paaren von Abtastfeldern für die Teilung des Maßstabs zugeordneten Paare von periodischen Abtastsignalen sind jeweils um 180° gegeneinander phasenversetzt, während zwischen diesen beiden Paaren ein Phasenversatz von 90° besteht, der eine Diskriminierung der Abtastrichtung erlaubt. Das der Referenzmarke zugeordnete Photoelement liefert bei der Abtastung der Referenzmarke ein Referenzsignal, während das Photoelement für den Referenzmarkenbezug ein Gleiphlichtsignal liefert. Dieses Referenzsignal kann beispielsweise zum Reproduzieren der Nullposition im Zähler der Meßeinrichtung verwendet werden.

Da mit den Photoelementen nur Lichtintensitäten gemessen werden können, sind die von den Photoelementen erzeugten Abtastsignale gleichspannungsbehaftet, d.h. sie liegen bei einer graphischen Darstellung einseitig zur Nullinie verschoben. Bei inkrementalen Meßeinrichtungen werden üblicherweise zur Messung der Relativlage zweier Objekte die Nulldurchgänge dieser elektrischen periodischen Abtastsignale verwendet. Zum Erzeugen von periodischen Abtastsignalen mit definierten Nulldurchgängen

werden die "beiden Phot ο elemente jedes Paares von Photoelementen zur Abtastung der Teilung des Maßstabs jeweils an eine Impulsformerstufe einer Auswerteeinrichtung in Differenz angeschaltet, so daß durch Differenzbildung der betreffenden periodischen Abtastsignale mit einem gegenseitigen Phasenversatz von 180 jeweils ein nullsymmetrisches periodisches Abtastsignal entsteht, das in der Auswerteeinrichtung im Nulldurchgang getriggert und einem Zähler zur Anzeige der Meßwerte für die Relativlage der zu messenden Objekte zugeleitet wird; diese beiden periodischen nullsymmetrischen Abtastsignale weisen wiederum den zur Diskriminierung der Abtastrichtung erforderlichen Phasenversatz von 90° auf.

Durch Anschalten der Photoelemente für die Referenzmarke und den Referenzmarkenbezug in Differenz an eine Impulsformerstufe der Auswerteeinrichtune; entsteht durch Differenzbildung des Referenzsignals und des Gleichlichtsignals ein Referenzsignal mit ι definierten eindeutigen Nullagen zur nachfolgenden Impulsformung in der Auswerteeinrichtung.

Da jeweils die beiden um 180° gegeneinander phasen-

' verschobenen periodischen Abtastsignale zur Erzeugung eines nullsymmetrischen periodischen Abtastsignals an zwei verschiedenen Abtaststellen des Maßstabs im Zusammenwirken mit den beiden in Meßrichtung gegeneinander um 180° phasenverschobenen

^ Abtastfeldern gewonnen werden, ergibt sich der Nachteil , daß sich bei Störungen an den beiden Abtaststellen, z.B. durch unterschiedliche Verschmutzungen, die Nullage des nullsymmetrischen periodischen Abtastsignals ändert. Außerdem werden für die zusammen-

wirkenden Abtaststellen möglichst gleiche Beleuchtungsstärken benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtung der oben erwähnten Gattung von jeweils einer Abtaststelle einer Maßverkörperung mittels eines einzigen Abtastfeldes in einer Abtasteinheit ein elektrisches Abtastsignal mit definierter Nu11age zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Abtastung der Teilung und ggf. der Referenzmarke an der jeweiligen Abtaststelle sowohl im Auflicht als auch im Durch licht auf einfache Weise ein elektrisches Abtastsignal erhalten wird, dessen definierte Nullage nicht durch Störungen, beispielsweise durch Verschmutzungen, bei der Abtastung beeinflußt wird. Pa die Beleuchtungsenergie für die Abtastung doppelt genutzt wird, kann die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinheit wesentlich verringert werden, so daß durch Wärmeeinfluß bedingte Meßfehler weit gehend vermieden werden können. Da nur noch die Hälfte der Abtastfelder zur Gewinnung der gegenphasigen Abtastsignale benötigt wird, können die Abtastfläche der MaßVerkörperung halbiert und die Baugröße der Abtasteinheit wesentlich verringert werden, so daß die Flexibilität des Einsatzes der Meßeinrichtung bei Maschinen erhöht wird. Bei Meßeinrichtungen mit großem Meßbereich, bei denen die Maßverkörperung sich aus Einzelstücken zusammengesetzt, ent-

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Btehen beim Überfahren der Maßverkörperungsstöße keine Tastverhältnisschwankungen bei den beiden gegenphasigen Abtastsignalen, da der Stoßbereich gleichzeitig auf die beiden gegenphasigen Abtastsignale wirkt. 5

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine lichtelektrische gekapselte Meßeinrichtung im Querschnitt,

Figur 2 einen Maßstab und eine Abtastplatte,

Figur 3 eine schematised Anordnung von

Maßstab und Abtasteinrichtung im Querschnitt,

Figur 4 eine graphische Darstellung der Abtastsignale und

Figur 5 eine graphische Darstellung der Referenzsignale.

In Figur 1 ist eine lichtelektrische gekapselte Meßeinrichtung im Querschnitt dargestellt, bei der ein Gehäuse 1 in Form eines Hohlprofils mittels einer Schraube 2 an einem zu messenden Objekt 3 in Form eines Schlittens einer nicht gezeigten Bearbeitungs-

maschine befestigt ist. Im Inneren des Gehäuses 1 ist mittels einer Klebeschicht 4 ein Maßstab M befestigt, der von einer Abtasteinheit A abgetastet wird. An dem anderen zu messenden Objekt 5 in Form eines Betts der Bearbeitungsmaschine ist ein Montagefuß 6 in beliebiger Weise befestigt, der über einen Mitnehmer 7 mit der Abtasteinheit A verbunden ist. Das Gehäuse 1 weist einen in Längserstreckung verlaufenden Schlitz 8 auf, der durch Dichtlippen 9 verschlossen ist, durch die der Mitnehmer 7 mit einem schwertförmigen Bereich 7' hindurchgreift. Die Abtasteinheit A ist mittels Rollen 10 an Führungsflächen des Maßstabs M und mittels Rollen 11 an einer Führungsfläche 12 des Gehäuses 1 verschiebbar.

In Figur 2 ist ein Glasmaßstab M mit einer inkrementalen Teilung T dargestellt, die aus in Meßrichtung X periodisch aufeinander folgenden lichtdurchlässigen Strichen (helle Striche) und lichtreflektierenden Strichen (dunkle Striche) besteht; da die lichtreflektierenden Striche bei einer Beleuchtung im Durchlicht lichtundurchlässig und im Auflicht reflektierend sind, kann dieser Maßstab M als Durcnlicht- oder als Auflichtmaßstab verwendet werden. Neben der Teilung T ist eine Referenzmarke R angeordnet, die der Teilung T absolut zugeordnet ist und aus einer Gruppe von aufeinander folgenden lichtdurchlässigen Strichen (helle Striche) und lichtreflektierenden Strichen (dunkle Striche) mit einer unregelmäßigen Strichverteilung und Striciibreite besteht.

Zur Abtastung der Teilung T des Maßstabs M ist in

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der Abtasteinheit A eine Abtastplatte AP (Figur 2) angeordnet, die zwei um ein Viertel der Gitterkonstanten (Teilungsperiode) der Teilung T zueinander versetzte Abtastfelder AT,,, AT_? aufweist,

deren Teilungen mit der Teilung T identisch sind. Die hellen Striche der Teilung der Abtastfelder AT^, ATp sind lichtdurchlässig und die dunklen Striche lichtundurchlässig und !lichtreflektierend. Zur Abtastung der Referenzmarke R ist auf der Abtastplatte AP ein Abtastfeld AR angeordnet, dessen Strichgruppenverteilung mit der Strichgruppenverteilung der sf Referenzmarke R identisch ist; die hellen Striche < des Abtastfeldes AR sind lichtdurchlässig und die % dunklen Striche lichtundurchlässig und nichtreflek- £

tierend. |;

Zur erfindungsgemäßen Abtastung des Maßstabs M ge- f maß Figur 3 ist in der Abtasteinheit A eine Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle L und einem Kondensor K angeordnet, deren parallele Lichtstrahlen zuerst die Teilung des Abtastfeldes AT^ der Abtastplatte AP und anschließend die Teilung T des Maßstabs M im Durchlicht durchsetzen und auf ein durchlichtbeauf schlagtes Photoelement P^_n fallen, das dem Abtastfeld AT,. der Abtastplatte AP zugeordnet ist. Da die Teilung T des Maßstabs M lichtrei'lektierende Striche aufweise, können die an diesen Strichen reflektierten Lichtstrahlen auf ein auflichtbeaufschlagtes Photoelement P^. fallen, das ebenfalls dem Abtastfeld AT,, der Abtastplatte AP zugeordnet ist. Bei einer Relativbewegung zwischen dem Maßstab M und der Abtastplatte AP werden das durchlichtbeaufschlagte Photoelement Ρ,,ρ und daiä auflichtbeaufschlagte Photoelement P,,. alternierend

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gegenphasig beleuchtet. Liegen die lichtdurchlässigen Striche der Teilung des Abtastfeldes AT,, der Abtastplatte AP und der Teilung T des Maßstabs M genau übereinander, empfängt das durchlichtbeaufschlagte Photoelement F^ ein Maximum und das auflichtbeaufschlagte Phofcoelement P^. ein Minimum der Lichtintensität. Liegen dagegen die lichtdurchlässigen Striche der Teilung des Abtastfeldes AT,, der i| Abtastplatte AP genau über den lichtreflektierenden

% 10 Strichen der Teilung T des Maßstabs M, so empfängt

β das durchlichtbeaufschlagte Photoelement Ρ^_π ein

j'i Minimum und das auflichtbeaufschlagte Photoelement

,ι; P,,. ein Maximum der Lichtintensität. Zur Messung

:\ dieser Lichtmodulationen im Durchlicht und im Auf-

t 15 licht verlaufen die Lichtstrahlen zwischen der Be-

'■'■ leuchtungs einheit L, K und den Phot ο element en P^,

'<; P,, λ in Ebenen senkrecht zur Meßrichtung X und tref-

': fen beispielsweise unter einem Einfallswinkel Λ = 4-5

·' auf die Teilungsebenen der Abtastplatte AP und des

Maßstabs M auf.

In Figur 4-a sind das vom durchlichtbeauf schlagten Photoelement Ρ,,-ρ erzeugte Abtastsignal S,,_D und das dazu gegenphasige Abtastsignal S,,. (180° Phasenversatz) des auflichtbeaufschlagten Photoelements Ρ,.» als Funktion der Verschiebung χ der Abtasteinheit A bezüglich des Maßstabs M dargestellt. Da die Photoelemente P-^, P^_A nach Figur 3 in Differenz an eine Impulsformerstufe I einer Auswerte-

JO einrichtung W angeschlossen sind, ergibt sich

durch Differenzbildung aus den beiden Abtastsignalen δ,,-β, S,,. ein nullsymmetrisches Abtastsignal S>,jj = Sy]₁, - Sy]_A, das in der Auswerteeinrichtung W in seinen Nullpunkten N,, getriggert und einem nicht gezeigten Zähler zur Anzeige der Relativlage der zu messenden Objekte 3» 5 zugeführt wird.

In nicht dargestellter Weise treffen die parallelen Lichtstrahlen der Beleuchtungseinheit L, K auch auf das Abtastfeld ATg der Abtastplatte AP und anschließend auf die Teilung T des Maßstabs M und beleuchten bei der Relativbewegung zwischen dem ' Maßstab M und der Abtastplatte AP alternierend gegenphasig ein dem Abtastfeld ATo zugeordnetes durchlichtbeaufschlagtes Photoelement Pg-rv und ein zugeordnetes auflichtbeaufschlagtes PhotonJLement Pj,, die gemäß Pi₆-Ur 3 ebenfalls in Differenz an die Impulsformerstufe I der Auswerteeinrichtung W angeschlossen sind. Durch Differenzbildung der beiden von den Photoelementen Pp-ni Ppi gelieferten Abtastsignale Sg₁₁, S>2A. (Figur ^b) ergibt sich ein nullsymmetrisches Abtastsignal Spjr = Sp^ - Sp. , das in der Auswerteeinrichtung W in seinen Nullpunkten Np getriggert wird. Dieses nullsymmetrische Abtastsignal Sp-j, ist gegenüber dem null symmetrischen Abtastsignal S^jT um 90 phasenversetzt und erlaubt somit die Diskriminierung der Abtastrichtung.

In ebenfalls nicht gezeigter Weise treffen die parallelen Lichtstrahlen der Beleuchtungseinheit L, K auch auf das Abtastfeld AR der Abtastplatte AP und anschließend auf die Referenzmarke R des Naßstabs M und beleuchten bei der Relativbewegung zwischen dem Maßstab M und der Abtastplatte AP gegenphasig ein dem Abtastfeld AR zugeordnetes durchlichtbeaufschlagtes Photoelement RP^. und ein zugeordnetes auflichtbeaufschlagtes Photoelement RP^, die gemäß Figur 3 ebenfalls in Differenz an die Impulsformerstufe I der Auswerteeinheit W angeschlossen sind. Die Differenzbildung der beiden von den Photoelementen EP^,

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RP. gelieferten Abtastsignale RSp, RS. (Figur 5) ergibt ein Referenzsignal RS^ = RS^ - RSj. mit definierten Nullagea RN zur Triggerung in der Auswerteeinrichtung W. Diese3 Referenzsignal RS_n ' ist einer Stelle der Teilung T absolut zugeordnet' und dient beispielsweise zum Setzen des Zählers der Meßeinrichtung auf den Wert Null bei Erreichen dieser Stelle.

Anstelle der Teilung T und der Referenzmarke R können auch die Teilungen der zugehörigen Abtastfelder AT₁, AT₂, AR lichtre.flekbierende Striche aufweisen. In diesem Fall durchsetzen die Lichtstrahlen der Beleuchtungseinheit L, K zuerst die Teilung T und die Referenzmarke R des Maßstabs M und treffen anschließend auf die Teilungen der Abtastfelder AT₁, AT₂, AR.

Die Erfindung erlaubt somit die Gewinnung von elektrischen Abtastsignalen S₁^, S₂Jj, RS^ mit ^l definierten Nullagen N₁, N₂, RN aus jeweils einem einzigen Abtastfeld AT₁, AT₂, AR von jeweils einer Abtaststelle des Maßstabs M.

Claims

• · · · · Itrti ι ι ·■ · DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 9. April 1986 Neue Schutzansprüche

1. Lichtelektrische'Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, bei der die Teilung

einer Maßverkörperung von wenigstens einem Abtast-

K feld einer Abtasteinheit abtastbar ist, dadurch ge-

ij 5 kennzeichnet, daß zur Gewinnung von Abtastsignalen

mit definierter Nullage jedem Abtastfeld (AT) auf

der einen Seite der Teilung (T) ein durchlichtbe-

aufschlagtes Photoelement (P₀) und auf der anderen

Seite der Teilung (T) der Maßverkörperung (M) ein 10 auflichtbeaufschlagtes Photoelement (P ) zugeordnet

ti A

K sind,.

*.

2. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Messung

der Relativlage zweier Objekte, bei der wenigstens eine Referenzmarke einer Maßverkörperung von einem Abtastfeld einer Abtasteinheit abtastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung wenigstens eines Referenzsignals mit definierter Nullage dem Abtastfeld (AR) auf der einen Seite der wenigstens einen Referenzmarke (R) ein durchlichtbeaufschlagtes Photoelement (RP_n) und auf der anderen Seite der

Jv LJ

wenigstens einen Referenzmarke (R) der Maßverkörperung (M) ein auflichtbeaufschlagtes Photoelement (RP_A) zugeordnet sind.
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3. Positionsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung (M) als Durchlichtmaßverkörperung ausgebildet ist.