DE9218478U1

DE9218478U1 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE9218478U1
Application number: DE9218478U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1992-04-18
Filing date: 1992-04-18
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2002-04-19

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 7. Februar 1994

Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Längen- oder Winkelmeßeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Meßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeugs bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und/oder Abmessungen von Prüf-Objekten eingesetzt.

Bei solchen Meßeinrichtungen unterscheidet man zwischen inkrementalen Längen- oder Winkelmeßeinrichtungen und codierten Längen- oder Winkelmeßeinrichtungen.

Eine inkrementale Wegmeßeinrichtung weist einen Teilungsträger mit einer inkrementalen Teilung auf, die von einer Abtasteinrichtung zur Erzeugung
20

von periodischen Abtastsignalen abgetastet wird, aus denen in einer Auswerteeinrichtung Zählimpulse für jedes Teilungsinkrement gewonnen werden. Die Zählung dieser Zählimpulse durch einem Zähler liefert den momentanen Positionsmeßwert und erfolgt jeweils von frei wählbaren Meßbezugslagen dieser inkrementalen Teilung ausgehend; diesen Meßbezugslagen können zur gegenseitigen Unterscheidung codierte Referenzmarken absolut zugeordnet sein, deren Lage einer bestimmten Position absolut zugeordnet sind.

Die an den Referenzmarken erzeugten Referenzimpulse können auf verschiedene Weise verwertet werden, z.B. zum Reproduzieren der Nullbezugslage im Zähler, zum Anfahren einer bestimmten Nullbezugslage zu Beginn einer Messung oder zur Kontrolle der Zählergebnisse des Zählers sowie zur Auswertung in einer nachgeschalteten numerischen Steuerung.

Aus der DE-AS 12 58 120 ist eine Längenmeßeinrichtung bekannt, bei der zwei stetige Strichfolgen unterschiedlicher Intervallänge auf einer Nivellierlatte vorgesehen sind. In einem Teilungsbereich, welcher der Länge des kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Intervallängen der beiden Strichfolgen entspricht, werden die Restintervalle zwischen dem Index der Ablesevorrichtung und den diesem in steigendem oder fallendem Teilungssinn nächstliegenden Teilstrichen der Strichfolgen nacheinander mikrometrisch gemessen und aus den so erhaltenen Mikrometerablesungen die Lage des Index der Ablesevorrichtung in bezug auf den Teilungsnullpunkt berechnet.

• m u

Eine weitere Positionsmeßeinrichtung ist aus der
WO 89/11080 bekannt. Dort wird folgendes beschrieben:

Um in einer Positionsmeßeinrichtung praktisch jederzeit ein lagecodiertes Signal zu erzeugen, werden zwei Spuren mittels zweier Sensoren abgetastet, die je ein sinusförmiges Signalpaar (cos &agr;; sin &agr;; cos ß, sin ß) oder ein ähnliches periodisches Signal mit einer jederzeit definierten Phasenlage erzeugen, deren Periodenlänge sich wie n/n+1 verhalten. Der gesuchte Relativabstand ergibt sich dann als Differenz der beiden Phasenlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zur absoluten Positionsbestimmung zu schaffen, die inkrementale Ausgangssignale von einer möglichst geringen Anzahl von Spuren liefert, wobei eine hohe Auflösung, ein geringer Einfluß von Interpolationsfehlern und große Meßlängen gefordert sind.

Diese Aufgabe wird mit einer Längen- oder Winkelmeßeinrichtung gelöst, die die Merkmale des An-Spruches 1 aufweist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung liegen darin, daß mit wenigen Inkrementalspuren eine absolutcodierte Position bei großer Meßlänge und mit hoher Auflösung bestimmt werden kann, wobei jede Inkrementalspur interpolationsgeeignet ist. Dabei werden die Interpolationsfehler klein gehalten.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung anhand der Schema-Zeichnungen noch näher erläutert:

• ■ <

Es zeigt

Figur 1 die Kernmerkmale einer Längenmeßeinrichtung;

Figur 2 eine Maßverkörperung mit einer Referenzspur.

Eine in Figur 1 dargestellte Längenmeßeinrichtung weist eine Beleuchtungsquelle 1 und einen Kondensor 2 auf, die paralleles Licht auf eine Maßverkörperung 3 richten. Die Maßverkörperung 3 weist vier Spuren mit Meßteilungen 4, 5, 6 und 7 auf, deren Teilungsperioden sich voneinander unterscheiden.

Des weiteren ist eine Abtastplatte 8 und eine Detektoreinheit 9 vorgesehen, deren Abtast- und Detektorfelder den Meßteilungen angepaßt und zugeordnet sind. Eine Auswerteeinrichtung trägt das Bezugszeichen 10.

Jede Spur der Meßteilungen 4, 5, 6 und 7 wird in bekannter Weise mit vier um 1/4 Teilungsperiode zueinander versetzten Abtastfeldern abgetastet. Dadurch werden in bekannter Weise je Spur aus jeder Meßteilung 4, 5, 6 und 7 zwei um 1/4 Teilungsperiode zueinander versetzte sinusförmige Signale erzeugt, die in vorbestimmbaren Schritten interpolationsfähig sind.

Die Abstufung der Teilungsperioden zueinander ermöglicht eine besonders einfache Auscodierung des zu ermittelnden absoluten Positionswertes. Die mathematischen Zusammenhänge der Teilungsabstufungen ergeben sich daraus, daß die Teilungsperiode der ersten Meßteilung 4=P ist und die Kehrwerte der Teilungsperioden T_n der weiteren Meßteilungen 5, 6,

7 abzüglich des Kehrwertes l/P der Teilungsperiode P der ersten Meßteilung 4 eine endliche geometrische Reihe bis zum (n-l)-ten Glied für die n-te Meßteilung darstellen.

Bei N Spuren ist der Bereich der absoluten Codierung &Agr;^<&Ngr;"¹⁵*&Bgr; Meßschritte. Die zulässige Phasenabweichung von Spur zu Spur (bei (1) und (2)) bzw. von der 1. zur N. Spur (bei (4) und (5))
B

beträgt + und zwar aus folgendem Grund:

2A

Um bei Code-Meßsystemen mit mehreren Inrkementalspuren unterschiedlicher Teilung Meßfehler zu vermeiden, die bei geringfügiger Verlagerung der Spuren zueinander infolge notwendiger Toleranzen entstehen können, sollten die Ausgangssignale aller Spuren zunächst mit den bekannten Verfahren B-fach unterteilt werden, so daß der Meßschritt für die Grundteilung l/B der Teilungsperiode P der Grundteilung beträgt. Für die Grundteilung ist die Anzahl der Codewerte innerhalb einer Teilungsperiode gleich B. Für alle weiteren Spuren sind aber aus B Interpolationsschritten nur A Codewerte zu bilden, wobei A<B/2 (speziell A=B/8 oder A=B/16) ist. Dadurch ist ein fehlerfreier codierteer Positionswert CP auch noch gegeben, wenn sich die Phasenlage der einzelnen Teilungsspuren zueinander um bis zu + 1/2*B/A verändert.

Beispiel N = 4 Spuren

B = lOOfach Interpolation
A = 10 Codewerte ab der 2. Spur
P = lOOjum Teilungsperiode der 1. Spur

(Grundte ilung)
T_n= Teilungsperioden der N Spuren nach

·· · * · i JiI.

Gleichung (1) T_n = P* _&Ngr;__&khgr;

T₁ = &Igr;&Ogr;&Ogr;&mgr;&pgr;&igr;
T₂ = 90,9090909&mgr;&idiagr;&eegr;
T₃ = 90,09009009&mgr;&idiagr;&eegr;
T₄ = 90,00900090009JUItI

zul. Phasenfehler von Spur zu Spur

B 1 100

< + — = +—* '■ = + 5 Interpolationsschritte
2A 2 10

< + 5&mgr;&idiagr;&eegr;

Aus den Anzeigen Z_x, Z₂, Z₃ und Z₄ der Verschiebungsbruchteile je Spur bei einer bestimmten Position CP berechnet sich der Positionswert CP gemäß dem Hauptpatent.

Figur 2 zeigt eine Maßverkörperung 32, deren Meßteilungen 42, 52, 62 und 72 nach einem der vorstehenden Schemata abgestuft sind. Eine Spur 0 ist als Referenzspur vorgesehen, auf die die Phasenlage der nachgeordneten Spuren 42 bis 72 bezogen ist. Aus zeichnerischen Gründen ist das Prinzip allerdings 0 stark übertrieben dargestellt worden.

Zum Ermitteln eines Codewertes aus N Spuren müssen zwischen den Inkrementen der Spuren Interpolationswerte gebildet werden. Interpolationsfehler beeinflüssen direkt den Wert des Phasenwinkels zwischen den Spuren. Sie sind umso größer, je gröber die Teilungsperiode ist. Um die Interpolationsfehler

klein zu halten, wird zusätzlich zu den nach Gleichung (1) berechneten N Spuren eine weitere Spur O mit einer Teilungsperiode P₀, die kleiner als die Teilungsperiode P der Grundspur 42 ist,

1 1
(vorzugsweise P₀ =_e.p=——- p; aus zeichentechnischen

A 10
1

Gründen sind— P dargestellt)

vorgesehen und die Phasenlagen der N Spuren auf diese Spur bezogen. Dadurch verringert sich der Einfluß der Interpolationsfehler.

Weiter werden in einer Auswerteeinheit 10 Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe laufend der Phasenfehler zwischen den N Spuren und der Grundspur 42 bzw. der Referenzspur 0 bestimmt wird und beim Überschreiten eines maximalen Wertes von z.B. +0,4P₀ zum Schalten einer Fehleranzeige benutzt wird. Zum Ermitteln des Phasenfehlers wird zunächst aus den Ist-Interpolationswerten der einzelnen Spuren der Codewert bestimmt, dann aus dem Codewert die Soll-Interpolationswerte berechnet und aus der Differenz zwischen Soll- und Istwerten der Phasenfehler.

Da die erfindungsgemäße Längen- oder Winkelmeßeinrichtung ausschließlich Meßteilungen mit Gitterstruktur - also Inkrementalteilungen - aufweist, kann die Meßeinrichtung auch als rein inkrementale Wegmeßeinrichtung arbeiten.

5 Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene optoelektrische Meßprinzip beschränkt. Auch die anderen bekannten physikalischen Meßprinzipien - wie magnetische, induktive und kapazitive Abtastungen sind bei entsprechender Ausgestaltung von Meßteilungen und Abtasteinrichtungen möglich und stellen glatte Äquivalente dar.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 7. Februar 1994 Ansprüche

1. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit einer Maßverkörperung die mehrere Meßteilungen mit unterschiedlichen Teilungsperioden aufweist, denen jeweils Abtasteinrichtungen zugeordnet sind, und bei der die von den Abtasteinrichtungen erzeugten Signale mit an sich bekannten Verfahren unterteilt werden, wobei durch einen Unterteilungsfaktor die Anzahl der Interpolationsschritte einer Meßteilung bestimmt werden, und daß für die Grundteilung die Anzahl (B) der Interpolationsschritte gleich einer Anzahl (B) von Codewerten ist, und daß für die weiteren Meßteilungen aus (B) Interpolationsschritten eine Anzahl (A) von Codewerten gebildet wird, wobei (A<B/2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Meßteilung (0) als Referenzspur vorgesehen ist, deren Teilungsperiode (P₀) kleiner ist als die Teilungsperiode (P) der Grundteilung (4; 42), und daß die Phasenlage der N Meßteilungen (4, 5, 6, 7; 42, 52, 62, 72) auf diese Referenzspur (0) bezogen ist.

2. Längen- oder Winkelmeßeimrichtung ^nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Referenzspur (0) die Teilungsperiode

(^P-"7^1P)

aufweist.