DE3334398C1

DE3334398C1 - Messeinrichtung

Info

Publication number: DE3334398C1
Application number: DE3334398A
Authority: DE
Inventors: Günther Dr.-Ing. 8221 Bergen Nelle
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1983-09-23
Filing date: 1983-09-23
Publication date: 1984-11-22
Also published as: US4573000A; EP0141123A3; EP0141123B1; ATE62775T1; JPS6088317A; EP0141123A2; DE3484457D1; JPH047814B2

Description

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

Bei einer derartigen Meßeinrichtung können die durch die 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 Meßwertüberwachung vor Störimpulsen sowie zur Beaufschlagung einer nachgeschalteten Steuereinrichtung.

In der DE-PS 29 52 106 ist eine inkremental Längenoder 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 Abtastplatte höchsten etwa 2 d²/Ä 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 einziger bestimmter Abstand zwisehen dem Maßstab und der Abtastplatte eingehalten werden muß, sondern das 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 pu der Teilung des Maßstabs und einer Schwerpunktwellenlänge λ des Lichts Abstände η · Pm²ZA (η = 0, 1, 2 ...) von der Teilungsebene des Maßstabs. Optimale elektrische Abtastsignale können daher bei Abständen η ■ Pm¹IA 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 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 Referenzmarken aufweist, da zu eindeutigen Abtastung der Referenzmarken, wie oben dargelegt, ein bestimmter geringer Abstand zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte nicht überschritten werden darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung mit auf einem Maßstab vorgesehenen Referenzmarken eine eindeutige Abtastung der Referenzmarken und eine optimale Abtastung der Teilung des 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 jeweils benötigten günstigsten Abstände zur sicheren Abtastung der inkrementalen Teilung und der Referenzmarken des Maßstabs eingestellt werden können, so daß die Meßgenauigkeit und der Unterteilungsgrad bei einer Interpolation der Meßwerte sich 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 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 zugehörigen 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 an der Hilfsführung für die zweite Abtastplatte geführt ist, entstehen keine Meßfehler durch Umkehrspannen, die bei einer reibungsbehalteten Führung an der Hilfsführung zwangsläufig auftreten. Die vorgeschlagenen einfachen Maßnahmen haben keine 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. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine inkrementale Meßeinrichtung,

F i g. 2 einen Maßstab mit Referenzmarken,
F i g. 3 zwei Abtastplatten mit Abtastfeldern,
F i g. 4 eine graphische Darstellung der Amplituden der Lichtmodulation,

F i g. 5 eine gekapselte inkrementale Meßeinrichtung im Querschnitt und

F i g. 6 eine schematische Anordnung von Maßstab und Abtastplatten im Querschnitt.

In F i g. 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], Oi in Form von Maschinenteilen einer Bearbeitungsmaschine verbunden sind (F i g. 5). Auf dem Maßstab M ist eine inkrementale Teilung T in Form eines Strichgitters (F i g. 2) aufgebracht, die im Auflicht photoelektrisch von der Abtasteinheit A abgetastet wird. Neben der Teilung T sind zwei Referenzmarken Ri, R₂ angeordnet, die der Teilung Tabsolut zugeordnet sind und jeweils aus einer Gruppe von Strichen mit einer unregelmäßigen Strichverteilung bestehen; die Strichgruppenverteilungen der beiden Referenzmarken R\, Ri müssen einander möglichst unähnlich sein.

Die durch die Abtastung der Teilung Γ mittels der in Meßrichtung X verschiebbaren Abtasteinheit A erzeugten periodischen Abtastsignale St, S₂, die in der Abtasteinheit A verstärkt und in Rechtecksignale Si', S₂ umgeformt werden, steuern einen elektronischen Zähler Z, der die Meßwerte in digitalter Form anzeigt. Die um ein Viertel der Gitterkonstanten pm (Teilungsperiode) der Teilung T zueinander verschobenen Rechtecksignale Si', S₂ dienen der Diskriminierung der Abtasteinrichtung. Die an den Referenzmarken Ri, R2 erzeugten Referenzsignale RSi, RS2 werden ebenfalls in der Abtasteinheit A verstärkt, in Rechtecksignale RSi', RS₂ umgeformt und ebenfalls dem Zähler Zzugeführt.

Mit den gewonnenen Referenzsignalen RSi, RS₂ können verschiedene Funktionen ausgelöst werden. Durch Auswertung der Referenzsignale RS], RS₂ wird beispielsweise aus einer inkrementalen Meßeinrichtung eine quasi absolute Meßeinrichtung, wenn jeder Referenzmarke R\, R₂ eine Zahl zugeordnet wird, die deren absolute Position, bezogen auf einen unveränderlichen Nullpunkt, darstellt. Ferner kann eine bestimmte Referenzmarke Ri, R₂ dazu dienen, den Zähler Z beim Auftreten des aus der bestimmten Referenzmarke Ri, R₂ gewonnenen Referenzsignals RS], RS₂ auf den Wert »Null« zu setzen.

Zur Abtastung der Teilung T des Maßstabs M ist in der Abtasteinheit A eine erste Abtastplatte APi nach F i g. 3 vorgesehen, die zwei um ein Viertel der Gitterkonstanten pm der Teilung Γ zueinander versetzte Ab- tastfelder ATi, AT₂ aufweist, die mit der Teilung Tidentisch sind; den Abtastfeldern Λ Γι, AT₂ sind nicht gezeigte Photoelemente in der Abtasteinheit A zur Erzeugung der Abtastsignale Si, S₂ zugeordnet. Zur Abtastung der Referenzmarken R_h R₂ ist in der Abtasteinheit A eine zweite Abtastplatte AP₂ mit Abtastfelder ARi, AR₂ vorgesehen; die Strichgruppenverteilungen der einzelnen Abtastfelder ARi, AR₂ sind mit den Strichgruppenverteilungen der zugehörigen Referenzmarken R], R₂ identisch, so daß bei Deckung von Referenzmarke R], R₂ und zugehörigem Abtastfeld AR], AR₂ die Referenzsignale RSi, RS₂ hervorgerufen werden. Durch die Identität der Strichverteilungen von Referenzmarke Ri und Abtastfeld ARi bzw. der Strichverteilungen von Referenzmarke R₂ und Abtastfeld AR₂ ist sichergestellt, daß nur das zur jeweiligen Referenzmarke Ri, R₂ zugehörige Abtastfeld AR], AR₂ ein Referenzsignal RS], RS₂ mit ausreichend großen Nutz-/Störsignalverhältnis hervorbringen kann. Wird beispielsweise das Abtastfeld ARi an der nichtzugehörigen Referenzmarke R₂ vorbeibewegt, kann kein Referenzsingal 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 Γ des Maßstabs M. Diese Ebenen haben bei der Gitterkonstanten pm der Teilung T des Maßstabs M und einer Schwerpunktwellenlänge λ des Lichts Abstände η ■ Pm²ZA (η= 0, 1, 2 ...) von der Ebene der Teilung Tdes Maßstabs M. In F i g. 4 sind die Amplituden / der bei einer Relativbewegung zwischen zwei Teilungen gleicher Gitterkonstante auftretenden Lichtmodulation in Abhängigkeit vom gegenseitigen Abstand a dargestellt. Optimale elektrische Abtastsignale Si, S₂ werden daher nur beim Abstand π ' PM²ZMeT Ebene der Abtastfelder ATi, AT₂ der ersten Abtastplatte APi von der Ebene der Teilung Tdes Maßstabs M erzeugt.
Zur eindeutigen Abtastung der Referenzmarken R_u R₂ auf dem Maßstab M darf wegen ihrer unregelmäßigen Strichgruppenverteilungen der Abstand zwischen den Referenzmarken Ri, R₂ und den zugehörigen Abtastfeldern AR], AR₂ auf der zweiten Abtastplatte AP₂ in Lichtstrahlenrichtung höchstens etwa 2 d²IA betragen, wobei d die Breite des schmälsten Striches der Strichteilungen der Referenzmarken Ri, R₂ bedeutet. Dagegen muß zur optimalen Abtastung der Teilung T des Maßstabs M der Abstand zwischen der Teilung T und den zugehörigen Abtastfeldern ATi, AT₂ auf der ersten Abtastplatte APi in Lichtstrahlenrichtung etwa η ■ Pm²IzI(II ■= 1,2,3...) betragen.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die erste Abtastplatte AP_x mit den Abtastfeldern ATi, AT₂ für die Teilung Tdes Maßstabs M fest in der Abtasteinheit A angeordnet ist,' die an einer Führung V der zu messenden Objekte O], O₂ verschiebbar ist, und daß die zweite Abtastplatte AP₂ mit den Abtastfeldern AR], AR₂ für die Referenzmarken R], R₂ an einer von der

Führung Vcler zu messenden Objekte O\, O₂ unabhängigen Hilf sführung verschiebbar und mit der ersten Abtastplatte AP\ über eine in Meßrichtung Λ" steife Kupplung K verbunden ist.

In F i g. 5 ist eine inkrementale gekapselte Meßeinrichtung im Querschnitt dargestellt, bei der ein Gehäuse 1 in Form eines Hohlprofils mittels einer Schraube 2 an dem einen zu messenden Objekt O\ in Form eines Schlittens einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine befestigt ist. Im Inneren des Gehäuses 1 ist mittels einer Klebeschicht 3 der Maßstab M befestigt, der von der Abtasteinheit Λ abgetastet wird. An dem anderen zu messenden Objekt O₂ 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 5' hindurchgreift. Die über den Mitnehmer 5 und den Montagefuß 4 starr mit dem zu messenden Objekt O₂ verbundene Abtasteinheit A ist an der Führung V'der zu messenden Objekte Ou Oi in Meßrichtung Xverschiebbar.

In F i g. 6 ist als Ausschnitt der F i g. 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 Abtastfeldern ATu AT₂ zur Abtastung der Teilung Tdes Maßstabs Mist mittels eines Rahmens U\ fest in der Abtasteinheit A angeordnet, die gemäß F i g. 5 an der Führung V der zu messenden Objekte O\, O₂ in Meßrichtung Xverschiebbar ist Die zweite Abtastplatte AP₂ mit den Abtastfeldern ARu AR₂ zur Abtastung der Referenzmarken R_u 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 Abtastplatte AP\ verbunden ist; diese Blattfeder £ stellt die in Meßrichtung X steife Kupplung zwischen der ersten Abtastplatte AP\ und der zweiten Abtastplatte AP₂ dar. Am Rahmen U₂ der zweiten Abtastplatte AP₂ sind Rollen W angeordnet, die auf Führungsflächen Fi, F₂ des Maßstabs M geführt sind; diese Führungsflächen Fi, F₂ auf dem Maßstab Mstellen die von der Führung V der zu messenden Objekte Ou O₂ unabhängige Hilfsführung für die zweite Abtastplatte AP₂ dar. Diese Kupplung K in Form der Blattfeder dient gleichzeitig als Andruckelement für die zweite Abtastplatte AP₂ an die Führungsfläche Fi, F₂ des Maßstabs M, so daß stets ein bestimmter Abstand zwischen den Referenzmarken R\, R₂ und den zugehörigen Abtastfeldern AR\, AR₂ gewährleistet ist. Die Führungsflächen für die zweite Abtastplatte AP2 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 Min nicht dargestellter bekannter Weise eine Beleuchtungseinrichtung sowie den Abtastfeldern A 71, A T₂, AR\, AR₂ zugeordnete Photoelemente vorgesehen.

Die Erfindung erlaubt somit die Abtastung der Teilung Γ des Maßstabs M mit größeren Abständen und größeren Abstandstoleranzen für die erste Abtastplatte AP\ 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 Abtastplatte 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 Dreigittermeßverfahren (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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung, insbesondere inkremental 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, dadur ch gekennzeichnet, daß eine erste Abtastplatte (APi) mit den Abtastfeldern (AT\, AT₂) für die Teilung (T) des Maßstabs (M) fest in der Abtasteinheit (A) angeordnet ist, die an einer Führung (V) der zu messenden Objekte (O\, O₂) verschiebbar ist, und daß eine zweite Abtastplatte (APi) mit den Abtastfeldern (ARi, AR2) für die Referenzmarken (R\, R₂) an einer von der Führung (V) der zu messenden Objekte (O\, O₂) unabhängigen Hilfsführung verschiebbar und mit der ersten Abtastplatte (AP\) 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_U AT₂) sich vom Abstand zwischen den Referenzmarken (Ru R₂) und den zugehörigen Abtastfeldern (AR\, AR₂) unterscheidet.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (K) durch eine quer zur Meßrichtung X verlaufende Blattfeder gebildet ist.

4. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (K) gleichzeitig als Andruckelement für die zweite Abtastplatte (AP₂) an Führungsflächen (F_u F₂) der Hilf sführung dient.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (Fi, F₂) der Hilfsführung 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 (AP₂) über Rollen (W) an den Führungsflächen (Fi, F₂) der Hilfsführung abstützt.