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Die Erfindung betrifft ein Längen- oder Winkelmesssystem mit einem Massstab und einer in Messrichtung relativ zum Massstab verstellbaren Abtasteinheit, wobei der Massstab eine Messteilung aus absolut codierten Messteilungselementen und aus Inkrementatteilungselementen aufweist, die Abtasteinheit Ableseeinrichtungen für die Ablesung der Teilungselemente nach optoelektronischen Abtastprinzipien aufweist und eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die aus den Signalen dieser Ableseeinrichtungen die Momentanstellung der Abtasteinheit zum Massstab absolut bestimmt, wobei die codierten Messteilungselemente aus in serieller Codierung angebrachten, unterschiedlichen Codewörtern bestehen, die in Messrichtung abstandsweise aufeinanderfolgen und die Ableseeinrichtung ein wenigstens über die Länge zweier Codegruppen reichender,
mehrzeiliger Detektor, insbesondere ein CCD-Chip (mehrzeilige Abtastmatrix), oder ein Diodenzeilenarrays ist und wobei die in jeder möglichen Stellung der Abtasteinheit wenigstens ein Codewort vollständig erfassende Auswertungseinrichtung durch Erfassung der Relativlage des Anfanges dieses Codewortes zum Detektor und Ablesung des Codewortes die Momentanposition grobstufig und durch Erfassung der Abtastsignale der inkrementalen Messteilungselemente gegebenenfalls unter elektronischer Unterteilung durch Interpolation feinstufig bestimmt, nach Patent Nr. 397 873 (A 1661/91).
Bei der seriellen Codierung bestehen die einzelnen Elemente der Codewörter aus Strichen bzw.
Lücken, deren Breite ein ganzzahliges Vielfaches des Codierungsbits ist. Derartige Codierungen sind dem Prinzip nach unter anderem für die Warenkennzeichnung, die Preisauszeichnung usw. ebenso bekannt wie zugeordnete mehrzeilige Detektoren, mit deren Hilfe man beim Überfahren eines Codewortes das Codewort bzw. dem Codewort entsprechende Digitalsignale ablesen kann.
Eine wesentliche Überlegung der im Hauptpatent geoffenbarten Erfindung besteht darin, dass man eine ganz exakte, im wesentlichen innerhalb des Gesamtauflösungsvermögens des Messsystems punktgenaue, also der kleinsten messbaren Einheit entsprechende Erfassung einer bestimmten Massstabstelle erzielen kann, wenn man grob die momentan abgetastete Stelle durch die Erfassungslage des Codewortes über den Detektor und fein durch die bestimmte Phasenlage der aus der Abtastung der Inkrementalteilungselemente erhaltenen Analogsignale definiert, wobei durch die Phasenlage der momentane Messpunkt genau definiert und die Absolutlage dieses Messpunktes durch das ausgelesene Codewort bestimmt ist.
Die Gesamtspurbreite der Messteilung kann, abhängig von der Art des verwendeten Detektors gleich oder kleiner als eine normale Inkrementalspur sein, wobei die Codierung, da sie nur aus Strichen und Lükken verschiedener Breite besteht, verhältnismässig einfach angebracht werden kann.
Zur Vereinfachung der Auswertung und Messung besteht nach einer Weiterbildung der Grundsatzkonstruktion beim Hauptpatent jedes Codewort aus einer die jeweilige Massstabstelle kennzeichnenden seriellen Codierung und einem vorgeordneten für alle Wörter gleichen Startzeichen, wobei die Auswertungseinrichtung die Relativlage dieses Startzeichens zum Detektor erfasst, das Codewort erkennt und zusätzlich die Phasenlage der analogen Abtastsignale der Inkrementalteilung bestimmt.
Die Zeilenbreite des Detektors, die Breite der Codierungsbits der Codewörter und die Intervalle der inkrementalen Messteilungselemente werden aneinander angepasst, wobei als mehrzeilige Detektoren CCDChips oder Diodenzeilenarrays Verwendung finden können. Je nach der Art des verwendeten Detektors kann ihre Beleuchtung über den Massstab mit gepulstem oder Konstantlicht erfolgen. Die Inkrementalteilung kann in Form von Teilungsabschnitten zwischen die Codewörter in der gleichen Spur eingefügt sein oder, meist vorteilhafter, in einer getrennten Spur angebracht sein, wobei dann sogar eine Abtastung der codierten Spur und der Inkrmenentalspur nach verschiedenen Abtastprinzipien und/oder unter Einhaltung verschiedener Abtastabstände möglich ist.
Derzeit können bei CCD-Chips und Diodenarrays Pixelbreiten in der Grössenordnung von 10 um erreicht werden, so dass eine relativ feine Teilung der beiden Messteilungen möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Längen- oder Winkelmesssystem nach dem Hauptpatent
Massnahmen vorzusehen, die die Ablesegenauigkeit erhöhen und gewährleisten, dass in jeder Stellung der Abtasteinheit gegenüber dem Massstab die momentane Stelle eindeutig definierende Signale erhalten werden.
Die gestellte Aufgabe wird prinzipiell dadurch gelöst, dass die Breite der Codierungsbits der Codewörter ein ganzzahliges Vielfaches, wenigstens das Zweifache der Zeilen (Pixel-) breite des Detektors beträgt.
Es wird dadurch erreicht, dass jeweils wenigstens eine Zeile des Detektors auf ein Codierungsbit des erfassten Codewortes gerichtet ist, so dass eindeutige Aussagen bei der Ablesung erhalten werden.
Eine weitere Erhöhung der Ablesegenauigkeit ergibt sich dadurch, dass nach einer Weiterbildung des
Erfindungsgedankens in der Messteilung zwischen alle aufeinanderfolgenden, ein Codewort bestimmenden
Codierungsbits Leerbits (Stege) eingefügt sind, deren Breite jener der Codierungsbits entspricht.
Bei der vorgesehenen digitalen Ablesung bestimmt im einfachsten Fall Jedes Codierungsbit der seriellen Strichcodierung den Abtesewert"high"oder"tow". atso sinngemäss im Binärcode den Wert"1" bzw. "0". Bei unmittelbarer Aufeinanderfolge der Codierungsbits könnten bei der relativen Feinheit der
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Teilung beim Auftreten von Führungsfehlern bzw. Abstandsänderungen zwischen Massstab und Ableseeinheit sowie durch Beugungseffekte Unterscheidungsfehler auftreten. Zum Beispiel könnten Unsicherheiten bei der Unterscheidung der als einfache Illustration gewählten Codeworte 0 1 1 1 0 und 0 0 1 1 0 auftreten.
Ordnet man den Leerbits den gleichen Wert wie einem Codebit "0" zu, so ergibt sich bei der Ablesung der Codeworte, bei denen die Codebits durch Leerbits getrennt sind, für den obigen Fall die Ablesung 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0, die sich eindeutig von der Ablesung des zweiten Wortes 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 unterscheiden lässt. Es ist lediglich notwendig, entsprechend vielzeilige Detektoren zu verwenden, um die Bildung einer ausreichenden Anzahl von Codewörtern zur eindeutigen Definition der einzelnen Massstabstellen zu ermöglichen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind als Beleuchtungseinrichtung für die Messteilung eine oder mehrere Laserdioden vorgesehen. Durch die Verwendung dieser Beleuchtungseinrichtungen wird ein hoher Kontrast am Detektor erzielt, da die Laserdioden einen extrem kleinen Leuchtfleck aufweisen und daher dem Ideal einer punktförmigen Lichtquelle nahekommen, wobei überdies im wesentlichen monochromatisches Licht abgestrahlt wird.
Schliesslich ist bei einem Messsystem, bei dem jedes Codewort aus einer die jeweilige Massstabstelle kennzeichnenden seriellen Codierung und einem vorgeordneten, für alle Codewörter gleichen Startzeichen besteht und die Auswertungseinrichtung die Relativlage des jeweils im Detektorbereich befindlichen Startzeichens zum Detektor erfasst, noch vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung die bei der Abtastung der Endkante des Startzeichens im Detektor auftretende Signalflanke bzw. deren Anstieg erfasst und zur Lagebestimmung auswertet. Es wird dadurch bei einem Detektor mit einer Pixelbreite von z.
B. 20 u. m durch Triggerung eines bestimmten Punktes des Flankensignales möglich, eine Auflösung zu erzielen, die besser als 5 um ist, so dass für viele Messzwecke bereits mit der codierten Messteilung und dem zugeordneten Detektor das Auslangen gefunden werden könnte und die Inkrementalteilung nur für noch feinere Auflösungen benötigt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen
Fig. 1 in schematisierter Darstellungsweise im Blockschema ein als Längenmesssystem ausgebildetes
Messsystem und
Fig. 2 in stark vergrösserter und vereinfachter Darstellungsweise übereinander die Teilung eines
Zeilendetektors in Zuordnung zu einem Teilstück der erfindungsgemäss codierten Messteilung.
Nach Fig. 1 ist ein transparenter Massstabkörper 1 vorhanden, der eine Messteilung aufweist, die jeweils aus einem in serieller Codierung angebrachten, eine bestimmte Massstabstelle kennzeichnenden Codewort 2, einem Startzeichen 3 und einer in einer zweiten Spur angebrachten Inkrementalteilung 4 besteht, wobei die Codeteilung 2 und die Inkrementalteilung die gleiche Grundteilung aufweisen und die Inkrementalteilung 4 in üblicher, aber nicht dargestellter Weise aus gleich grossen Hell- und Dunkelfeldern gebildet wird. Eine aus einer oder mehreren Laserdioden 5 bestehende Beleuchtungseinrichtung beleuchtet die Messteilung 2 bis 4.
Für die Abtastung des Massstabes dient eine relativ zu ihm in Längsrichtung verstellbare Abtasteinheit, wobei die Laserdiode 5 ein Teil dieser Abtasteinheit ist und letztere noch einen vielzeiligen Detektor 6, der auf die Codeteilung 2, 3 ausgerichtet ist und Startzeichen 3 und Codewort 2 erfasst, sowie zwei Abtastgitter 7,8, von denen das eine (8) gegenüber der Teilung 6 um Teilungsbruchteile versetzt ist, zugeordnete photoelektrische Empfänger 9,10 und eine Auswertungseinheit 11 enthält. An den Empfängern 9,10 werden beim Ausführungsbeispiel analoge, sinusförmige und gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugt.
Durch Auswertung der Phasenlage dieser Signale und durch Erfassung der Relativlage eines der vielen aufeinanderfolgend jeweils mit Startzeichen vorgesehenen Codeworte 2 zur Abtasteinheit sowie des jeweiligen Codewortes selbst ist die momentan abgetastete Massstabstelle genau erfassbar, so dass die Auswertungseinheit 11 das Momentanmass absolut angeben kann, wie dies auch im Hauptpatent beschrieben ist. Vorzugsweise wird zusätzlich zur Erfassung der Phasenlage der Analogsignale für die Bestimmung der Momentanlage auch der in der jeweils überstrichenen Zeile des Detektors 6 vom Startzeichen 3 erzeugte flankenartige Signalanstieg erfasst, wobei bei einem Messpunkt die momentane Signalhöhe dieser Flanke eine relativ genaue Auflösung in der Grössenordnung von derzeit 5 um ermöglicht.
Aus Fig. 2 ergibt sich, dass die Breite der Codierungsbits 12,13 beim Codewort 2 der zweifachen Breite der Einzeizeilen 14 des Zeilendetektors 6 entspricht. Die Codierungsbits 12, 13 würden bei der Ablesung die Werte "1" bzw. "0" repräsentieren. Das bruchstückhaft wiedergegebene Codewort nach Fig. 2 wurde an sich 1 0 1 1 0 0 1 lauten. Zur Verbesserung der Unterscheidungsgenauigkeit sind aber zwischen die Codierungsbits Leerbits 15 eingefügt, die nur der besseren Unterscheidbarkeit halber in Fig. 2 schraffiert und nicht geschwärzt dargestellt wurden. Das nun gezeigte Codewort wird vom Detektor als 0 1 0 0 0 1 0 1
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The invention relates to a length or angle measuring system with a scale and a scanning unit that is adjustable in the measuring direction relative to the scale, the scale having a measuring graduation made up of absolutely coded measuring graduation elements and incremental grading elements, the scanning unit having reading devices for reading the grading elements according to optoelectronic scanning principles and an evaluation device It is provided that absolutely determines the instantaneous position of the scanning unit to scale from the signals of these reading devices, the coded measuring division elements consisting of different code words attached in serial coding, which follow one another in the measuring direction at intervals and the reading device extends at least over the length of two code groups.
is a multi-line detector, in particular a CCD chip (multi-line scanning matrix), or a diode line array, and the evaluation device, which fully detects at least one code word in each possible position of the scanning unit, by detecting the relative position of the beginning of this code word to the detector and reading the code word, the current position is coarse and determined by detecting the scanning signals of the incremental measuring graduation elements, if necessary with electronic subdivision by interpolation, according to patent no. 397 873 (A 1661/91).
In the case of serial coding, the individual elements of the code words consist of dashes or
Gaps, the width of which is an integer multiple of the coding bit. Such codes are known in principle for goods labeling, price labeling, etc., as are associated multi-line detectors, which can be used to read the code word or the corresponding digital signals when a code word is passed over.
An essential consideration of the invention disclosed in the main patent is that a very exact, essentially precise, within the total resolving power of the measuring system, i.e. corresponding to the smallest measurable unit, can be achieved by a specific scale position, if one roughly detects the position currently scanned by the detection position of the Code word via the detector and finely defined by the determined phase position of the analog signals obtained from the scanning of the incremental dividing elements, with the phase position of the current measurement point being precisely defined and the absolute position of this measurement point being determined by the code word read out.
Depending on the type of detector used, the total track width of the measuring graduation can be equal to or smaller than a normal incremental track, and since the coding consists only of lines and gaps of different widths, it can be applied relatively easily.
To simplify the evaluation and measurement, according to a further development of the basic construction of the main patent, each code word consists of a serial coding characterizing the respective scale position and an upstream start character that is the same for all words, the evaluation device detecting the relative position of this start character to the detector, recognizing the code word and additionally the Phase position of the analog scanning signals of the incremental division determined.
The line width of the detector, the width of the coding bits of the code words and the intervals of the incremental measuring division elements are matched to one another, and CCD chips or diode line arrays can be used as multi-line detectors. Depending on the type of detector used, it can be illuminated on the scale with pulsed or constant light. The incremental division can be inserted in the form of divisions between the code words in the same track or, most advantageously, be arranged in a separate track, in which case the coded track and the incremental track can even be scanned according to different scanning principles and / or while maintaining different scanning distances is.
Currently, pixel widths of the order of 10 µm can be achieved with CCD chips and diode arrays, so that a relatively fine division of the two measurement divisions is possible.
The object of the invention is in a length or angle measuring system according to the main patent
To provide measures that increase the reading accuracy and ensure that the position is clearly defined signals in any position of the scanning unit relative to the scale.
In principle, the object is achieved in that the width of the coding bits of the code words is an integral multiple, at least twice the lines (pixel) width of the detector.
It is thereby achieved that at least one line of the detector is directed to a coding bit of the detected code word, so that clear statements are obtained during the reading.
A further increase in the reading accuracy results from the fact that after further training of the
The idea of the invention in the measurement division between all successive ones determining a code word
Coding bits Empty bits (ridges) are inserted, the width of which corresponds to that of the coding bits.
In the simplest case of the intended digital reading, each coding bit of the serial bar coding determines the reading value "high" or "tow". atso the value "1" or "0" in the binary code. In the case of a direct succession of the coding bits, the relative fineness of the
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Division when guidance errors or changes in distance between scale and reading unit occur, as well as differentiation errors due to diffraction effects. For example, uncertainties could arise when differentiating the code words 0 1 1 1 0 and 0 0 1 1 0, which were chosen as a simple illustration.
If the empty bits are assigned the same value as a code bit "0", the reading of the code words in which the code bits are separated by empty bits results in the above reading 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 , which can be clearly distinguished from the reading of the second word 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0. It is only necessary to use corresponding multi-line detectors in order to enable the formation of a sufficient number of code words for the unambiguous definition of the individual scale positions.
According to an advantageous development, one or more laser diodes are provided as the illumination device for the measuring graduation. By using these lighting devices, a high contrast is achieved at the detector, since the laser diodes have an extremely small light spot and therefore come close to the ideal of a punctiform light source, wherein essentially monochromatic light is also emitted.
Finally, in the case of a measuring system in which each code word consists of a serial coding characterizing the respective scale position and an upstream start character that is the same for all code words and the evaluation device detects the relative position of the start symbol located in the detector area in relation to the detector, the evaluation device also provides that when the end edge of the start character is scanned, the signal edge occurring in the detector or its rise is detected and evaluated for determining the position. It is thereby in a detector with a pixel width of z.
B. 20 u. m by triggering a certain point of the edge signal, it is possible to achieve a resolution that is better than 5 μm, so that for many measuring purposes the coded measuring division and the assigned detector can be used to find the required length and the incremental division is only required for even finer resolutions becomes.
Further details and advantages of the subject matter of the invention can be found in the following description of the drawings.
The subject matter of the invention is illustrated in the drawing, for example. Show it
Fig. 1 in a schematic representation in a block diagram designed as a length measuring system
Measuring system and
Fig. 2 in a greatly enlarged and simplified representation of the division of one another
Line detector in association with a section of the measuring division coded according to the invention.
According to FIG. 1, there is a transparent scale body 1, which has a measuring graduation, each consisting of a code word 2 attached in serial coding, identifying a specific scale position, a start character 3 and an incremental graduation 4 attached in a second track, the code division 2 and the incremental division has the same basic division and the incremental division 4 is formed in the usual but not shown manner from light and dark fields of the same size. An illumination device consisting of one or more laser diodes 5 illuminates the measuring graduation 2 to 4.
A scanning unit that is adjustable in the longitudinal direction relative to it is used for scanning the scale, the laser diode 5 being part of this scanning unit and the latter also comprising a multi-line detector 6, which is aligned with the code division 2, 3 and detects start characters 3 and code word 2, and contains two scanning grids 7, 8, one of which (8) is offset by division fractions relative to the division 6, contains photoelectric receivers 9, 10 and an evaluation unit 11. In the exemplary embodiment, analog, sinusoidal and phase-shifted signals are generated at the receivers 9, 10.
By evaluating the phase position of these signals and by detecting the relative position of one of the many code words 2 successively provided with starting characters for the scanning unit and the respective code word itself, the currently scanned position of the scale can be detected precisely, so that the evaluation unit 11 can absolutely indicate the instantaneous dimension, as well as this is described in the main patent. In addition to the detection of the phase position of the analog signals for the determination of the momentary system, the flank-like signal rise generated by the start symbol 3 in the respective swept line of the detector 6 is also detected, with the instantaneous signal level of this flank at a measuring point having a relatively precise resolution of the order of magnitude of the present 5 um allows.
2 shows that the width of the coding bits 12, 13 for the code word 2 corresponds to twice the width of the single lines 14 of the line detector 6. The coding bits 12, 13 would represent the values "1" and "0" during the reading. The fragmentary reproduced code word according to FIG. 2 would in itself be 1 0 1 1 0 0 1. In order to improve the differentiation accuracy, however, empty bits 15 are inserted between the coding bits, which have been hatched in FIG. 2 only for the sake of better differentiability and have not been shown blacked out. The code word now shown is used by the detector as 0 1 0 0 0 1 0 1