DE3427411A1 - Messeinrichtung - Google Patents
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Description
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH · 17. Juli 1984
Meßeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer derartigen Meßeinrichtung können die an den 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 Kontrolle von Störimpulsen
sowie zur Beaufschlagung einer nachgeschalteten Steuereinrichtung.
Aus der DE-PS 24 16 212 ist eine inkrementale Längen- oder Winkelmeßeinrichtung bekannt, bei der
auf einem Maßstab neben der inkrementalen Teilung Referenzmarken auf einer gesonderten Spur vorgesehen
sind. Die Absolutwerte dieser Referenzmarken bestimmen sich aus den unterschiedlichen Abstän- ·
den zwischen den einzelnen Referenzmarken; diese Abstände zwischen den Referenzmarken werden durch
Abtastung der inkrementalen Teilung ermittelt. Zur Erkennung der absoluten Position einer Referenzmarke
müssen daher immer zwei Referenzmarken abgetastet werden. Dieses Verfahren ist umständlich
und zeitraubend, wenn beispielsweise zwei derartige Referenzmarken weit auseinander liegen.
Zudem können bei einer fehlerhaften Zählung der Inkremente zwischen zwei Referenzmarken falsche
Abstände und damit falsche Absolutwerte für die Referenzmarken ermittelt werden.
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 in einer Abtasteinheit
abgetastet, wobei jedes Abtastfeld einer Referenzmarke eindeutig zugeordnet ist, indem
es die gleiche Strichgruppenverteilung aufweist. Diese Anordnung ist relativ aufwendig, da
die Strichgruppenverteilungen der einzelnen Referenzmarken sich möglichst stark voneinander
unterscheiden müssen, um eine eindeutige Identifizierung der einzelnen Referenzmarken zu ermöglichen.
Die Abtasteinheit muß dabei für jede Referenzmarke ein identisches Abtastfeld aufweisen.
In der DE-OS 31 44 334 ist eine inkrementale Längen- oder Winkelmeßeinrichtung offenbart, bei der
auf einem Maßstab neben der inkrementalen Teilung identische Referenzmarken auf einer gesonderten
Spur vorgesehen sind. Zur Identifizierung der identischen Referenzmarken ist jeder Referenzmarke
seriell eine Codemarke auf der gesonderten Spur zugeordnet. Diese Codemarken bestehen jeweils aus
Codemarkenteilen, die beispielsweise einen bestimmten Binärzustand darstellen; der andere Binärzustand
wird durch nicht vorhandene Codemarkenteile, d.h. durch Lücken dargestellt. Bei der seriellen
Abtastung der gesamten Codemarke in Form der Codemarkenteile und der Lücken ergibt die Reihenfolge
der beiden Binärzustände die gesamte Codeinformation zur Identifizierung der zugehörigen Referenzmarke
.
Bei derartigen Meßeinrichtungen sind die Absolutwerte der Referenzmarken im allgemeinen auf den
Teilungsnullpunkt der inkrementalen Teilung des Maßstabs bezogen; die Referenzmarken können daher
zur Überprüfung einer einwandfreien Zählung der Teilungsinkremente zwischen den Referenzmarken bei
der Abtastung der Teilung durch eine Abtasteinheit herangezogen werden, da die Abstände der Referenzmarken
zueinander bekannt sind. Zwischen den einzelnen Referenzmarken wäre aber eine solche Überprüfung
einer einwandfreien Zählung der Teilungsinkremente der Teilung nur mittels der seriell den
einzelnen Referenzmarken zugeordneten Codemarkenteile der Codemarken möglich. Da aber zwischen
den einzelnen Codemarkenteilen der Codemarken mehrere benachbarte Lücken, d.h. nicht vorhandene
Codemarkenteile, entsprechend den vorliegenden Binärzuständen
der Codeinformationen der Codemarken
* .V-V*** 44«
auftreten können, kann innerhalb solcher größeren Lücken keine Überprüfung einer einwandfreien
Zählung der Teilungsinkremente der Teilung stattfinden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung der genannten Gattung eine möglichst
lückenlose Überprüfung einer einwandfreien Zählung der Teilungsinkremente der Teilung einer Maßverkörperung
im Bereich der Codemarken zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die vorgeschlagene
Anordnung der Codemarkenteile der Codemarken zwischen den Referenzmarken auf einfache Weise eine ständige nahezu
lückenlose Überprüfung der Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung erfolgen kann, so daß die Meßsicherheit der
Meßeinrichtung und die Betriebssicherheit einer Bearbeitungsmaschine, an der die Meßeinrichtung zum
Einsatz gelangt, weiter erhöht werden.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 schematisch eine inkrementale Längenmeßeinrichtung,
Figur 2a einen Maßstab,
Figur 2b eine Abtastplatte und
Figur 3 ein Signaldiagramm von Referenz-
und Codesignalen.
In Figur 1 ist schematisch eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßeinrichtung gezeigt, die aus
einer Maßverkörperung in Form eines Maßstabs M und aus einer Abtasteinheit A besteht, die jeweils
in nicht dargestellter Weise mit einem zu messenden Objekt in Form von Maschinenteilen einer Bearbeitungsmaschirie
verbunden sind. Auf dem Maßstab M ist eine inkrementale Teilung T in Form eines Strichgitters
(Figur 2a) aufgebracht, die im Auflicht photoelektrisch berührungsfrei von der Abtasteinheit A
abgetastet wird. Entlang der Teilung T in Meßrichtung X ist auf dem Maßstab M eine Reihe von identischen
Referenzmarken Rn (n = 1,2,3,...) vorgesehen, die in bekannter Weise jeweils identische
Strichgruppen mit einer bestimmten, aber unregelmässigen Strichverteilung aufweisen und der Teilung T
absolut zugeordnet sind. Gezeigt sind in Figur 2a nur zwei benachbarte Referenzmarken Ri und Rk. Für
die bessere Verständlichkeit werden die Referenzmarken als einfache rechteckige Balken dargestellt.
Die durch die Abtastung der Teilung T erzeugten periodischen Abtastsignale, die in der Abtasteinheit
A verstärkt und in Rechtecksignale Sl', S2'
umgeformt werden, beaufschlagen eine Auswerteeinrichtung W und können in einem nachgeschalteten
Zähler Z als Positionsmeßwerte für die Relativlage der zu messenden Objekte angezeigt werden. Zur
Richtungserkennung wird die Teilung T in bekannter
Weise von Abtastfeldern AT abgetastet, die in zwei Gruppen ATl und AT2 angeordnet sind, die um ein
Viertel der Gitterkonstanten GK zueinander versetzt sind. Auf diese Weise werden zueinander phasenver-
schobene Abtastsignale erzeugt. An den Referenzmarken Rn werden Referenzsignale RSn erzeugt, in
der Abtasteinheit A verstärkt, in Rechtecksignale RSn' umgeformt und ebenfalls der Auswerteeinrichtung
W zugeleitet. Die Erzeugung der Referenzsignale RSn erfolgt durch ein Referenzmarken-Abtastfeld AR, das
in der Abtastplatte AP eingearbeitet ist.
Mit den aus den Referenzmarken Rn gewonnenen Referenzsignalen RSn können verschiedene Funktionen
ausgelöst werden. Durch entsprechende Auswertung der Referenzsignale RSn wird beispielsweise aus
einer inkrementalen Meßeinrichtung eine quasi absolute Meßeinrichtung, wenn jeder Referenzmarke Rn
eine Zahl zugeordnet wird, die deren absolute Position, bezogen beispielsweise auf den Teilungsnullpunkt
der Teilung T, kennzeichnet. Ferner kann eine bestimmte Referenzmarke Ro (nicht gezeigt) aus der
Gesamtheit der Referenzmarken Rn dazu dienen, den Zähler Z beim Auftreten des aus der bestimmten Referenzmarke
Ro gewonnenen Referenzsignals RSo auf den Wert "Null" zu setzen. Diese Funktionen sind
aber nur durchführbar, wenn die ausgewählte Referenzmarke Ro eindeutig identifiziert werden kann.
Zur Identifizierung ist gemäß Figur 2a jeder einzelnen
Referenzmarke Rn seriell eine Codemarke Cn zugeordnet, die aus mehreren Codemarkenteilen Cnm
(n,m = 1,2,3,...) besteht. Anhand der gezeigten Referenzmarke Ri und deren zugehöriger Codemarke Ci
soll die Erläuterung erfolgen.Die Codemarkenteile CiI bis Ci5 sind von ihrer Konfiguration her identisch
mit dem Muster der Referenzmarken Rn und werden durch dasselbe Referenzmarken-Abtastfeld AR
abgetastet. Demgemäß sind auch sie hier vereinfacht als rechteckige Balken dargestellt.
• *
Innerhalb der Codemarke Ci kann jedes Codemarkenteil Cim eine von zwei möglichen Positionen PO oder
Pl einnehmen. Welche der beiden möglichen Positionen PO oder Pl das jeweilige Codemarkenteil Cim einnimmt,
ist durch die Information bestimmt, die durch die Codemarke Ci ausgedrückt werden soll. Bei der Auswertung
der Codeinformation wird aus der Position PO eines Codemarkenteiles Cim der binäre Wert "O"
abgeleitet, hat jedoch das Codemarkenteil Cim die Position Pl inne, so wird der binäre Wert "1" erkannt
.
Im Ausführungsbeispiel besteht die gesamte Codemarke Ci aus fünf Codemarkenteilen; CiI hat die Position
PO inne, Ci2 liegt auf Pl, Ci3 liegt ebenfalls auf Pl, Ci4 liegt wieder auf PO, ebenso wie Ci5 auf
PO liegt. Daraus läßt sich der Binärcode 0-1-1-0-0 ableiten, was der Identifizierungsschlüssel für die
Codemarke Ci ist. Zur Abtastung dient wieder die Abtastplatte AP, deren Abtastfelder ATl und AT2 die
Teilung T, und deren Referenzmarken-Abtastfeld AR die Referenzmarken Rn und die Codemarken Cn abtastet.
Dieser Abtastplatte AP sind Photoelemente in bekannter und daher nicht dargestellter Weise zugeordnet.
Die so gewonnenen Signale werden der Auswerteeinrichtung W zugeführt.
Bei der Abtastung des Maßstabs M gemäß Figur 2a in positiver Meßrichtung X von links nach rechts werden
zuerst das Referenzsignal RSi, sodann die Codesignale CSiI bis CSi5 und anschließend das Referenzsignal
RSk erzeugt (Figur 3). Zur Erkennung der richtigen Binärkombination 0-1-1-0-0 der bei der
Abtastung von links nach rechts erzeugten Codesig-
*— VL J.· — · · *
nale CSiI bis CSi5 als Gesamtcodeinformation der
Codemarke Ci zur eindeutigen Identifizierung der zugehörigen Referenzmarke Ri müssen der Abstand
a zwischen den beiden möglichen Positionen PO, Pl jedes Codemarkenteils Cim, der Abstand b zwischen
benachbarten Codemarkenteilen CiI und Ci2, Ci2 und Ci3 usw. und ein Restabstand r zwischen
dem letzten Codemarkenteil Ci5 und der folgenden Referenzmarke Rk bekannt sein, wobei der Restabstand
r erkannt wird, sobald er größer als die Summe der Abstände b + 2a ist. Die Abstände a, b
werden bei der Herstellung des Maßstabs M festgelegt und als Abstandsraster in einem Speicher der
Auswerteeinrichtung W abgespeichert. Bei der Abtastung der Referenzmarken Ri und Rk und der Codemarkenteile
CiI bis Ci5 werden die zwischen den Referenzsignalen
RSi und den Codesignalen CSiI bis CSi5 liegenden Abstände a, b, r mit Hilfe der
Zählung der Teilungsstriche der Teilung T ermittelt und zur eindeutigen Erkennung der binären Codeinformation
der einzelnen Codesignale CSiI bis CSi5 mit dem gespeicherten Abstandsraster in der Auswerteeinrichtung
W verglichen.
Bei der Abtastung des Maßstabs M in Meßrichtung X nach den Figuren 2a und 3 werden zuerst das Referenzmarkensignal
RSi, sodann im Abstand b das erste Codesignal CSiI mit der Codeinformation "O", im weiteren
Abstand (a+b+a) das zweite Codesignal CSi2 mit der Codeinformation "1", im weiteren Abstand (b+a)
das dritte Codesignal CSi3 mit der Codeinformation "1", im weiteren Abstand b das vierte Codesignal
CSi4 mit der Codeinformation "O", im weiteren Abstand
(a+b) das fünfte Codesignal CSi5 mit der Codeinformation "0" und anschließend im weiteren Abstand
(a+r) das nächste Referenzsignal RSk ermittelt.
Wenn die Abtasteinheit A den Maßstab M in positiver Meßrichtung X von links nach rechts weiter
abtastet, so folgen auf die Referenzmarke Rk die nächste Codemarke Ck mit den Codemarkenteilen Ckm
und darauf die nächste Referenzmarke Rk+1 etc. (in Figur 2a nicht mehr dargestellt).
Ganz allgemein können die Codemarken Cn Anfangsund Endinformationen aufweisen. Mit der Anfangsinformation
kann die Auswerteeinrichtung W darauf vorbereitet werden, daß im Anschluß an die Anfangsinformation eine Codeinformation ausgelesen wird.
Die Endinformation dient zur Sicherstellung, daß die gesamte Codeinformation ausgelesen wurde; dadurch
kann eine eventuelle Umkehrung der Meßrichtung X mitten in der Abtastung der Codeinformationen
erkannt werden.
Bei der Bewegung der Abtasteinheit A in positiver Meßrichtung X von links nach rechts erfolgt die
Abtastung der Codeinformationen der Codemarkenteile Cnm nach der Abtastung der zugehörigen Referenzmarke
Rn. Bei der Abtastbewegung in negativer Meßrichtung (-X) von rechts nach links wird durch den
Abstand r und die richtungsabhangige Auswertung der Codeinformationen erkannt, daß nach den Codemarkenteilen
Cim die Referenzmarke Ri folgen muß.
Zweckmäßig werden die Codemarkenteile Cnm und die Referenzmarken Rn als ganzzahlige Teile und/oder
als ganzzahlige Vielfache der Gitterkonstanten GK der inkrementalen Teilung T auf dem Maßstab M ausgebildet,
so daß die Abtastung der Codemarkenteile Cnm und der Referenzmarken Rn im Takt der Abtastung
der inkrementalen Teilung T erfolgen kann. Die Abstände a,b,r betragen vorzugsweise ganzzahlige Viel-
fache der Teilung T.
Die Auswertung der erzeugten Codesignale CSnm sowie der Vergleich der Abstände a,b,r mit dem Ab-Standsraster
erfolgt in der Auswerteeinrichtung W, die eine Auswahleinrichtung aufweisen kann, mit
deren Hilfe vorbestimmte Referenzmarken Rn ausgewählt und zur Wirkung gebracht werden können.
Xo Die erfindungsgemäße serielle Anordnung der Codemarkenteile
Cnm der Codemarken Cn zwischen den Referenzmarken Rn erlaubt eine ständige nahezu lükkenlose
Überprüfung einer einwandfreien Zählung der Teilungsinkremente der Teilung T des Maßstabs M
auch im Bereich der Codemarken Cn, da durch die Zuordnung zweier möglicher Positionen PO, Pl für
jeden Codemarkenteil Cnm entsprechend der jeweiligen Codeinformation keine größeren Lücken mehr zwischen
den einzelnen Codemarkenteilen Cnm der Codemarken Cn auftreten können. Jedes erzeugte Referenzsignal
RSn und jedes erzeugte Codesignal CSnm kann in der Auswerteeinrichtung W zu einem Vergleich zwischen
der Lage der entsprechenden Referenzmarke Rn und des entsprechenden Codemarkenteils Cnm und dem
zugehörigen Zählergebnis der Teilungsinkremente der Teilung T herangezogen werden, da die Lagen der Referenzmarken
Rn der Teilung T absolut zugeordnet und die Lagen der einzelnen Codemarkenteile Cnm
zwischen den Referenzmarken Rn durch die als Abstandsraster eingespeicherten Abstände a, b, r vorgegeben
sind. Tritt bei diesem Vergleich eine Differenz zwischen den Zählergebnissen und dem Abstandsraster
auf, wird von der Auswerteeinrichtung W ein Fehlersignal F ausgegeben, so daß eine fehlerhafte Messung
sofort erkannt werden kann.
r t 4« M *·*
Als Speicher zur Abspeicherung des Abstandsrasters in der Auswerteeinrichtung W werden zweckmäßig
Festwertspeicher (ROM oder PROM) verwendet. Die Anpassung der Auswerteeinrichtung W an die spezieilen
Abstandsraster unterschiedlicher Maßstabstypen kann durch Umprogrammieren oder Austauschen
des Festwertspeichers erfolgen. In einem Festwertspeicher mit großem Speicherinhalt können die Abstandsraster
für mehrere verschiedene Maßstäbe abgespeichert und das jeweilige Abstandsraster für
den benutzten Maßstab beispielsweise durch den zugehörigen Abstand r des Abstandsrasters ausgewählt
werden.
Zusätzliche, von den beschriebenen Abständen a, b, r
abweichende Abstände können als weitere Kennungsabstände - vorzugsweise zwischen Codemarkenteilen vorgesehen
werden. Durch diese zusätzlichen Kennungsabstände kann die Auswertung synchronisiert, d.h.
die Auswertung der Codemarkenteil-Signale bereits nach dem nächsten zusätzlichen Abstand begonnen werden.
Durch diese Maßnahme lassen sich die Verfahi>wege
der Abtasteinheit A verkürzen, da nicht unbedingt der Abstand r gesucht und überfahren werden
muß, sondern durch den nächstliegenden Abstand, sei es r oder einer der zusätzlichen Abstände, die Synchronisierung
erfolgt.
Die Erfindung ist nicht auf das lichtelektrische Abtastprinzip beschränkt.
- AB -
- Leerseite -
Claims (9)
1. Meßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte mit entlang der Teilung einer MaßVerkörperung
in Meßrichtung vorgesehenen identischen Referenzmarken, die der Teilung absolut zugeordnet
sind und denen zur Unterscheidung jeweils seriell eine individuelle Codemarke, die aus
mehreren Codemarkenteilen besteht, zugeordnet ist, sowie mit einer Abtasteinheit zur Abtastung
der Teilung, der Referenzmarken und der zugehörigen Codemarken, die mit einer Auswerteeinrichtung
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Codemarkenteil (Cnm) von jeweils zwei möglichen
Positionen (PO oder Pl) innerhalb einer Godemarke (Cn) entsprechend seiner Codeinformation
eine Position (PO oder Pl) einnimmt und daß die Auswertung der Codemarken (Cn) in der Auswerteeinrichtung
(W) mittels einer elektronischen Baueinheit erfolgt, in der ein Abstandsraster vorgegeben
ist, das den zulässigen Positionen (PO und Pl) der Codemarkenteile (Cnm) entspricht, und
daß die Codeinformation jeder Codemarke (Cn) in Form einer binären Zahlenkombination in der Auswerteeinrichtung
(W) ansteht, wobei der Wert der binären Zahlenkombination von der tatsächlichen Position (PO oder Pl) der einzelnen Codemarkenteile
(Cnm) abhängig ist.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsraster durch Einspei-
ehern des Abstandes (a) zwischen den zulässigen Positionen (PO und Pl) der Codemarkenteile (Cnm)
und des Abstandes (b) zwischen benachbarten Codemarkenteilen (Cnm und Cnm+1) sowie eines Maßstabrspezifischen
Kennungsabstandes (r) zwischen einer Referenzmarke (Rn) und dem nächstliegenden
Codemarkenteil (Cnm) in vorzugsweise einen Festwertspeicher vorgegeben wird.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur seriellen Abtastung der Referenzmarken (Rn) und der Codemarkenteile (Cnm)
der Codemarken (Cn) die Abtastplatte (AP) ein gemeinsames Abtastfeld (AR) enthält, dem ein
Photoelement zugeordnet ist.
4. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Abstandsraster
vorgegebenen Abstände (a, b, r) in der Auswerteeinrichtung (W) mit der Zählung der
Teilungsinkremente der Teilung (T) der Maßverkörperung (M) vergleichbar sind.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Differenz zwischen dem
Zählergebnis der Teilungsinkremente und den durch das Abstandsraster vorgegebenen Abständen
(a, b, r) von der Auswerteeinrichtung (W) ein Fehlersignal (F) erzeugbar ist.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codemarkenteile (Cnm) der Codemarken
(Cn) außer den Codeinformationen zur Identifizierung der zugehörigen Referenzmarken (Rn)
noch wenigstens Informationen zur Vollständigkeitserkennung aufweisen.
• -j* 3* -^
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Codemarkenteile (Cnm) der Codemarken (Cn) und die Referenzmarken (Rn) als
ganzzahlige Teile oder als ganzzahlige Vielfaehe der Gitterkonstanten (GK) der Teilung (T)
der Maßverkörperung (M) ausgebildet sind.
8. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (a, b, r) des Abstandsrasters
ganzzahlige Teile oder ganzzahlige Vielfache der Gitterkonstanten (GK) der Teilung (T)
der Maßverkörperung (M) bilden.
9. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß bei mehreren in der Auswerteeinrichtung (W) abgespeicherten Abstandsrastern für verschiedene Maßverkorperperungen (M) das
jeweilige Abstandsraster für die verwendete Maßverkörperung (M) anhand des Abstandes (r) auswählbar
ist.
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